(57)【要約】  静電機械は、駆動電極および固定子電極を含む。駆動電極および固定子電極は、ギャップによって分離され、コンデンサを形成する。駆動電極は、固定子電極に対して動くように構成されている。静電機械は、駆動電極および固定子電極を囲むように構成された筐体をさらに含む。固定子電極は筐体に固定されている。静電機械はまた、筐体、駆動電極、および固定子電極によって画定された空隙を充填する誘電流体を含む。誘電流体は、エステルを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電機械であって、
ギャップによって分離され、かつコンデンサを形成する駆動電極および固定子電極であって、前記駆動電極が、前記固定子電極に対して動くように構成されている、駆動電極および固定子電極と、
前記駆動電極および前記固定子電極を囲むように構成された筐体であって、前記固定子電極が、前記筐体に固定されている、筐体と、
前記筐体、前記駆動電極、および前記固定子電極によって画定された空隙を充填する誘電流体と、を備え、前記誘電流体が、エステルを含む、静電機械。
【請求項２】
前記エステルは、式Ｒ−Ｃ（Ｏ）Ｏ−Ｒ’の化合物であり、式中、ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のアルキルまたはアルケニル基である、請求項１に記載の静電機械。
【請求項３】
ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ30アルキルまたはアルケニル基である、請求項２に記載の静電機械。
【請求項４】
ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ24アルキルまたはアルケニル基である、請求項２に記載の静電機械。
【請求項５】
ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ12アルキルまたはアルケニル基である、請求項２に記載の静電機械。
【請求項６】
Ｒは、置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ10アルキル基、または置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ12アルケニル基であり、かつＲ’は、置換または非置換のＣ1−Ｃ3アルキル基であるか、あるいはＲ’は、置換または非置換のＣ5−Ｃ10アルキル基、または置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ12アルケニル基であり、かつＲは、置換または非置換のＣ1−Ｃ3アルキル基である、請求項２に記載の静電機械。
【請求項７】
前記エステルは、
【化１】
2019537919.tif 000006
およびそれらの２つ以上の組み合わせからなる群から選択される、請求項２に記載の静電機械。
【請求項８】
前記エステルは、式ＲＯＣ（Ｏ）ＣＲ”Ｃ（Ｏ）ＯＲ’の化合物であり、式中、Ｒ、Ｒ’、およびＲ”は、個々に置換または非置換のアルキルまたはアルケニル基である、請求項１に記載の静電機械。
【請求項９】
Ｒ、Ｒ’、およびＲ”は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ30アルキルまたはアルケニル基である、請求項８に記載の静電機械。
【請求項１０】
Ｒ、Ｒ’、およびＲ”は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ12アルキルまたはアルケニル基である、請求項８に記載の静電機械。
【請求項１１】
前記エステルは、高誘電マロン酸である、請求項１に記載の静電機械。
【請求項１２】
前記エステルは、マロン酸ジエチル、マロン酸ジエチルエチル、マロン酸メチルエチル、マロン酸エチルプロピル、マロン酸ジプロピル、またはそれらの２つ以上の混合物である、請求項１１に記載の静電機械。
【請求項１３】
前記誘電流体は、カーボネート部分をさらに含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項１４】
前記誘電流体は、ニトリル置換ヘテロ芳香族溶媒をさらに含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項１５】
前記誘電流体は、２−ピリジンカルボニトリルをさらに含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項１６】
前記誘電流体は、約１０ｗｔ％の２−ピリジンカルボニトリルおよび約９０ｗｔ％の炭酸プロピレンをさらに含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項１７】
前記誘電流体は、環状構造、および−ＯＣ（Ｏ）Ｎ−で表される部分をさらに含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項１８】
前記誘電流体は、３−メチル−２−オキサゾリジノン、３−エチル−２−オキサゾリジノン、または３−メチル−１，３−オキサジナン−２−オンをさらに含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項１９】
前記誘電流体は、フッ素化非環状炭化水素をさらに含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項２０】
前記誘電流体は、Ｃ5Ｈ2Ｆ10をさらに含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項２１】
前記誘電流体は、スルホニル基をさらに含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項２２】
前記誘電流体は、ジメチルスルホン、スルホラン、またはそれらの混合物を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項２３】
前記誘電流体は、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジプロピル、炭酸プロピレン、酪酸メチル、γ−ブチロラクトン、Ｎ−メチルピロリジノン、炭酸ビニレン、ジオキソラン、δ−ブチロラクトン、ジエチルエーテル、またはそれらの任意の２つ以上の混合物を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項２４】
前記誘電流体は、９９％を超える純度を有する炭酸プロピレンをさらに含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項２５】
前記駆動電極および前記固定子電極は、それぞれ、前記駆動電極と前記固定子電極との間の前記ギャップに第２の誘電体を使用して形成された不動態化層を含み、前記第２の誘電流体は、９９ｗｔ％未満の炭酸プロピレンを含む、請求項１に記載の静電機械。
【請求項２６】
前記不動態化層を形成するために前記駆動電極と前記固定子電極との間に直流電圧が印加される、請求項１９に記載の静電機械。
【請求項２７】
複数のスイッチを介して直流電力を交流電力に変換するように構成された電流源インバータをさらに含み、前記電流源インバータは、前記駆動電極と前記固定子電極との間に前記交流電力を供給するように構成され、前記駆動電極と、前記固定子電極と、前記複数のスイッチとの間に電気的に接続されている受動電気部品が存在しない、請求項１に記載の静電機械。
【請求項２８】
複数のスイッチを介して直流電力を交流電力に変換するように構成された電圧源インバータをさらに含み、前記駆動電極と、前記固定子電極と、前記複数のスイッチとの間に複数のインダクタが電気的に接続されている、請求項１に記載の静電機械。
【請求項２９】
前記駆動電極は、駆動平板を備え、前記固定子電極は、固定子平板を備え、前記駆動平板および前記固定子平板は、平行である、請求項１に記載の静電機械。
【請求項３０】
前記駆動平板は、前記駆動平板の外周に複数の歯を備え、前記固定子平板は、環状部の内周から延びる複数の歯を有する前記環状部を備え、前記駆動平板の前記歯と前記固定子平板の前記歯とが前記コンデンサを形成する、請求項２９に記載の静電機械。
【請求項３１】
前記筐体は、ポリプロピレン、アセタール、超高分子量（ＵＨＭＷ）ポリエチレン、ポリエーテルイミドおよびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の静電機械。
【請求項３２】
前記誘電流体は、ポリイソブチレン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリルアミド、多糖類、界面活性剤、固体粒子懸濁液、およびそれらの任意の２つ以上の組み合わせからなる群から選択される抵抗減少剤をさらに含む、請求項１〜３１のいずれか１項に記載の静電機械。
【請求項３３】
前記抵抗減少剤は、１〜１０００ｐｐｍで前記誘電流体内に組み込まれている、請求項３２に記載の静電機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１１月８日に出願された米国仮特許出願第６２／４１９，１２８号に対する優先権の利益を主張し、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
政府権利に関する陳述
本開示は、国立科学財団によって授与されたＩＩＰ１５３４６８４の下で政府の支援を受けて行われた。政府は、本発明において一定の権利を有する。
【０００３】
本技術は、一般に静電回転機械およびそのような機械のための充填流体に関する。特に、本技術は誘電流体等の流体によって分離されたキャパシタンス平板を有するモータおよび発電機等の機械に関する。
【発明の概要】
【０００４】
例示的な静電機械は、駆動電極および固定子電極を含む。駆動電極および固定子電極は、ギャップによって分離され、コンデンサを形成する。駆動電極は、固定子電極に対して動くように構成されている。静電機械は、駆動電極および固定子電極を囲むように構成された筐体をさらに含む。固定子電極は筐体に固定されている。静電機械はまた、筐体、駆動電極、および固定子電極によって画定された空隙を充填する誘電流体を含む。誘電流体は、エステルを含む。
【０００５】
例示的な静電機械は、軸を中心に回転するように構成されたシャフトを含む。機械はまた、ギャップによって分離され、かつコンデンサを形成する回転子電極および固定子電極を含む。回転子電極は、シャフトに固定されている。機械は、回転子電極、固定子電極、およびシャフトの一部分を囲むように構成された筐体をさらに含む。固定子電極は、筐体に固定されている。機械はまた、筐体、回転子電極、および固定子電極によって画定された空隙を充填する誘電流体も含む。誘電流体は、エステルを含む。
【０００６】
いくつかの実施形態では、エステルは、式ＲＣ（Ｏ）Ｏ−Ｒ’の化合物であり、式中、ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のアルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ30アルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ24アルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ12アルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、Ｒは、置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ10アルキル基、または置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ12アルケニル基であり得、かつＲ’は、置換または非置換のＣ1−Ｃ3アルキル基であり得るか、あるいはＲ’は、置換または非置換のＣ5−Ｃ10アルキル基、または置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ12アルケニル基であり得、かつＲは、置換または非置換のＣ1−Ｃ3アルキル基であり得る。いくつかの実施形態では、エステルは、
【化１】
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およびそれらの２つ以上の組み合わせからなる群から選択され得る。
【０００７】
他の実施形態では、エステルは、式ＲＯ（Ｃ（Ｏ）ＣＨR’’Ｃ（Ｏ）ＯＲ’の化合物であり、式中、Ｒ、Ｒ’、およびＲ”は、個々に置換または非置換のアルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、Ｒ、Ｒ’、およびＲ”は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ30アルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、Ｒ、Ｒ’、およびＲ”は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ24アルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、Ｒ、Ｒ’、およびＲ”は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ12アルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、Ｒ、Ｒ’、およびＲは、置換または非置換のＣ1−Ｃ3アルキル基であり得る。いくつかの実施形態では、エステルは、マロン酸ジエチル、マロン酸ジエチルエチル、マロン酸メチルエチル、マロン酸エチルプロピル、マロン酸ジプロピル等、またはそれらの任意の２つ以上の混合物とすることができる。
【０００８】
上記実施形態のいずれかにおいて、エステルは、上記エステルのいずれかの混合物を含み得る。
【０００９】
いくつかの実施形態では、誘電流体は、カーボネート部分をさらに含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、ニトリル置換ヘテロ芳香族溶媒をさらに含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、２−ピリジンカルボニトリルをさらに含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、約１０ｗｔ％の２−ピリジンカルボニトリルおよび約９０ｗｔ％の炭酸プロピレンをさらに含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、環状構造、および−ＯＣ（Ｏ）Ｎ−で表される部分をさらに含む。例えば、誘電流体は、３−メチル−２−オキサゾリジノン、３−エチル−２−オキサゾリジノン、または３−メチル−１，３−オキサジナン−２−オンをさらに含む。
【００１０】
いくつかの実施形態では、誘電流体は、フッ素化非環状炭化水素をさらに含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、Ｃ5Ｈ2Ｆ10をさらに含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、スルホニル基をさらに含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、ジメチルスルホン、スルホラン、またはそれらの混合物をさらに含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジプロピル、炭酸プロピレン、酪酸メチル、γ‐ブチロラクトン、Ｎ−メチルピロリジノン、炭酸ビニレン、ジオキソラン、δ−ブチロラクトン、ジエチルエーテル、またはそれらの任意の２種以上の混合物をさらに含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、９９％を超える純度を有する炭酸プロピレンをさらに含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、回転子電極および固定子電極は、それぞれ、回転子電極と固定子電極との間のギャップに第２の誘電体を使用して形成された不動態化層を含み、第２の誘電流体は、９９ｗｔ％未満の炭酸プロピレンを含む。実施形態の一例では、不動態化層を形成するために回転子電極と固定子電極との間に直流電圧が印加される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、機械は、複数のスイッチを介して直流電力を交流電力に変換するように構成された電流源インバータをさらに含む。電流源インバータは、回転子電極と固定子電極の間に交流電力を供給するように構成される。回転子電極、固定子電極、および複数のスイッチとの間に電気的に接続されている受動電気部品は、存在しない。
【００１３】
いくつかの実施形態では、機械は、複数のスイッチを介して直流電力を交流電力に変換するように構成された電圧源インバータをさらに含む。回転子電極、固定子電極、および複数のスイッチの間に複数のインダクタが電気的に接続されている。
【００１４】
いくつかの実施形態では、回転子電極は、回転子平板を備える。固定子電極は、固定子平板を含み、回転子平板および固定子平板は、平行である。例示的実施形態では、回転子平板は、回転子平板の外周に複数の歯を含む。固定子平板は、環状部の内周から延びる複数の歯を有する環状部を含む。回転子平板の歯および固定子平板の歯がコンデンサを形成する。いくつかの実施形態では、筐体は、ポリプロピレン、アセタール、耐薬品性アセタール、超高分子量（ＵＨＭＷ）ポリエチレン、ポリエーテルイミド（例えば、Ａｅｔｎａ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ製のＵｌｔｅｍ（登録商標））、およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、筐体は、フルオロポリマーエラストマー（例えば、Ｔｈｅ  Ｃｈｅｍｏｕｒｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ製のＶｉｔｏｎ（登録商標））、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、アセタール、シリコンコアを有するフルオロポリマーエラストマー（ＦＥＰ）、ポリウレタン、およびテトラフルオロエチレン／プロピレン（例えば、Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．製のＡｆｌａｓ（登録商標））のコポリマーのうちの少なくとも１つを含む。代替的実施形態では、筐体は、エステルと適合性のある任意の適切な材料で作製され得る。
【００１５】
いくつかの実施形態では、回転子電極は、回転子平板を備える。固定子電極は、固定子平板を含み、回転子平板および固定子平板は、平行である。例示的一実施形態では、回転子平板は、内周から外周の環状部まで延在する複数の脈を含む。固定子平板は、外周の環状部から内周の環状部まで延在する複数の脈を含む。回転子平板および固定子平板の各々の環状部およびスポークは、コンデンサを形成する。いくつかの実施形態では、筐体は、ポリプロピレン、アセタール、超高分子量（ＵＨＭＷ）ポリエチレン、ポリエーテルイミド、およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、筐体は、フルオロポリマーエラストマー（例えば、Ｔｈｅ  Ｃｈｅｍｏｕｒｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ製のＶｉｔｏｎ（登録商標））、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、アセタール、シリコンコアを有するフルオロポリマーエラストマー（ＦＥＰ）、ポリウレタン、およびテトラフルオロエチレン／プロピレン（例えば、Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．製のＡｆｌａｓ（登録商標））のコポリマーのうちの少なくとも１つを含む。アセタールを用いるいくつかの実施形態では、それは、耐薬品性アセタールであり得る。代替的実施形態では、筐体は、エステルと適合性のある任意の適切な材料で作製され得る。
【００１６】
例示的な静電機械は、軸を中心に回転するように構成されたシャフトと、回転子電極と、固定子電極とを含む。回転子電極および固定子電極はギャップによって分離され、コンデンサを形成する。回転子電極はシャフトに固定されている。代替的実施形態では、シャフトは、中空シャフトであり得る。静電機械はまた、回転子電極、固定子電極、およびシャフトの少なくとも一部分を囲むように構成された筐体を含むことができる。固定子電極は筐体に固定されている。誘電流体が、筐体、回転子電極、および固定子電極によって規定された空隙を充填する。誘電流体は、非環状構造または環状構造のうちの少なくとも１つを含む。
【００１７】
いくつかの実施形態では、回転子電極は、軸方向に配向されたペグを有する回転子平板を備える。固定子電極は、軸方向に配向されたペグを有する固定子平板を含み、回転子平板および固定子平板は、平行である。例示的一実施形態では、固定子および回転子のペグは、インターリーブされ、回転子が回転するときに接触せずに互いを通過して動く。いくつかの実施形態では、筐体は、ポリプロピレン、アセタール、超高分子量（ＵＨＭＷ）ポリエチレン、ポリエーテルイミド、およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、筐体は、フッ素化バイトン（フルオロエラストマー）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、アセタール、シリコンコアを有するフルオロポリマーエラストマー（ＦＥＰ）、ポリウレタン、およびＡＦＬＡＳのうちの少なくとも１つを含む。アセタールを用いるいくつかの実施形態では、それは、耐薬品性アセタールであり得る。代替的実施形態では、筐体は、エステルと適合性のある任意の適切な材料で作製され得る。
【００１８】
いくつかの実施形態では、誘電流体はカーボネート（すなわち、−ＯＣ（Ｏ）Ｏ−）である。いくつかの実施形態では、誘電流体は窒素原子が芳香族構造の環の第１の位置に存在し、少なくとも１つのニトリル（ＣＮ）基が第２の位置の置換基である芳香族構造を含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、２−ピリジンカルボニトリルを含む。
【００１９】
いくつかの実施形態では、誘電流体は環状構造を有し、−ＯＣ（Ｏ）Ｎ−で表される化学的官能基を含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は３メチル−２−オキサゾリジノン、３−エチル−２−オキサゾリジノン、３−メチル−１，３−オキサジナン−２−オン、またはそれらの任意の２つ以上の混合物である。いくつかの実施形態では、誘電流体は非環状、フッ素化炭化水素を含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、Ｃ5Ｈ2Ｆ10を含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、スルホニル部分（−Ｓ（Ｏ）2−）を有する有機化合物である。いくつかの実施形態では、誘電流体はジメチルスルホン、スルホラン、またはそれらの混合物を含む。
【００２０】
いくつかの実施形態では、誘電流体は、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジプロピル、炭酸プロピレン、酪酸メチル、γ‐ブチロラクトン、Ｎ−メチルピロリジノン、炭酸ビニレン、ジオキソラン、δ−ブチロラクトン、またはジエチルエーテルを含む。いくつかの実施形態では、誘電流体は、９９％を超える純度を有する炭酸プロピレンを含む。いくつかの実施形態では、回転子電極および固定子電極は、それぞれ、回転子電極と固定子電極との間のギャップに第２の誘電体を使用して形成された不動態化層を含む。第２の誘電流体は、９９ｗｔ％未満の炭酸プロピレンを含む。いくつかの実施形態では、第２の誘電流体は、９３．８ｖｏｌ％の炭酸プロピレン、６ｖｏｌ％の亜硫酸エチレン、および０．２ｖｏｌ％の水を含む。いくつかの実施形態では、コンデンサの両端に電圧が印加され、誘電流体は、回転子電極の表面上および固定子電極の表面上に不動態化層を形成する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、静電機械は、複数のスイッチを介して直流電力を交流電力に変換するように構成された電流源インバータをさらに含むことができる。電流源インバータは、回転子電極と固定子電極の間に交流電力を供給するように構成される。回転子電極、固定子電極、および複数のスイッチとの間に受動電気部品は電気的に接続されていない。
【００２２】
いくつかの実施形態では、静電機械は、複数のスイッチを介して直流電力を交流電力に変換するように構成された電圧源インバータをさらに含むことができる。回転子電極、固定子電極、および複数のスイッチの間に複数のインダクタが電気的に接続されている。
【００２３】
いくつかの実施形態では、回転子電極は回転子平板を備え、固定子電極は固定子平板を備え、回転子平板と固定子平板は平行である。回転子平板は、回転子平板の外周に複数の歯を含む。固定子平板は、環状部の内周から延びる複数の歯を有する環状部を含む。回転子平板の歯および固定子平板の歯がコンデンサを形成する。いくつかの実施形態では、筐体は、ポリプロピレン、アセタール、耐薬品性アセタール、超高分子量（ＵＨＭＷ）ポリエチレン、ポリエーテルイミド、およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、筐体は、フルオロポリマーエラストマー（例えば、Ｔｈｅ  Ｃｈｅｍｏｕｒｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ製のＶｉｔｏｎ（登録商標））、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、アセタール、シリコンコアを有するフルオロポリマーエラストマー（ＦＥＰ）、ポリウレタン、およびテトラフルオロエチレン／プロピレン（例えば、Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．製のＡｆｌａｓ（登録商標））のコポリマーのうちの少なくとも１つを含む。代替的実施形態では、筐体は、エステルと適合性のある任意の適切な材料で作製され得る。
【００２４】
前述の概要は、例示的なものにすぎず、決して限定的であることを意図するものではない。例示的な態様、実施形態および上記に説明された特徴に加えて、さらなる態様、実施形態および特徴が、以下の図面および詳細な説明を参照して明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ−１Ｂ】例示的実施形態による回転子ディスクまたは平板のいくつかの形状の断面図を図示する。
【図１Ｃ】例示的実施形態による回転子ディスクまたは平板のいくつかの形状の断面図を図示する。
【図１Ｄ】例示的一実施形態によるペグを有する回転子ディスクまたは平板の三次元図である。
【図２Ａ−２Ｂ】例示的実施形態による固定子リング／平板のいくつかの形状の断面図を図示する。
【図２Ｃ】例示的実施形態による固定子リング／平板のいくつかの形状の断面図を図示する。
【図２Ｄ】例示的一実施形態によるペグを有する固定子ディスクまたは平板の三次元図である。
【図３Ａ】例示的一実施形態による回転子と固定子との間の容量の関係を図示する図式である。
【図３Ｂ】例示的一実施形態による回転子および固定子の位置関係を図示する。
【図３Ｃ】例示的一実施形態による固定子および回転子の構成の分解図の図示である。
【図３Ｄ】例示的一実施形態による固定子および回転子の構成の分解図の図示である。
【図４Ａ】例示的一実施形態による放射状脈を有する回転子を図示する。
【図４Ｂ】例示的一実施形態による放射状脈を有する固定子を図示する。
【図４Ｃ】例示的一実施形態による放射状脈を有する固定子および回転子の構成の分解図の図示である。
【図５Ａ】例示的実施形態による角度位置に対する固定子と回転子との間のキャパシタンスのプロット図である。
【図５Ｂ】例示的実施形態による角度位置に対する固定子と回転子との間のキャパシタンスのプロット図である。
【図６】例示的一実施形態による静電機械の断面図である。
【図７Ａ】例示的一実施形態による静電機械の外観図を図示する。
【図７Ｂ】例示的一実施形態による静電機械の外観図を図示する。
【図８】例示的一実施形態による静電機械のいくつかの構成要素の分解図の図示である。
【図９Ａ】例示的実施形態による３相インバータおよび３相機械の回路図である。
【図９Ｂ】例示的実施形態による３相インバータおよび３相機械の回路図である。
【図９Ｃ】例示的実施形態による３相インバータの単相の回路図である。
【図９Ｄ】例示的実施形態による３相インバータの単相の回路図である。
【図９Ｅ】例示的実施形態による３相機械の単相に電力を供給する３相インバータの単相降圧または昇圧コンバータの回路図である。
【図９Ｆ】例示的実施形態による３相機械の単相に電力を供給する３相インバータの単相降圧または昇圧コンバータの回路図である。
【図１０Ａ】例示的実施形態によるスイッチを作成するいくつかの例の図式である。
【図１０Ｂ】例示的実施形態によるスイッチを作成するいくつかの例の図式である。
【図１１Ａ】例示的実施形態による容量性機械駆動制御システムのブロック図である。
【図１１Ｂ】例示的実施形態による容量性機械駆動制御システムのブロック図である。
【図１１Ｃ】例示的一実施形態による静電機械に電力を供給するための回路アーキテクチャのブロック図である。
【図１２】例示的一実施形態によるコントローラのブロック図である。
【００２６】
本開示の前述および他の特徴は、添付図面と併せて記載された以下の説明および付加された請求項からより完全に明らかになるであろう。これらの図面は本開示に従ったいくつかの実施形態のみを描写し、したがって、その範囲を限定するものと見なされるべきではないことを理解した上で、本開示は、添付図面を使用してさらなる特殊性および詳細を伴って記載されるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付図面を参照する。図面において、文脈が別に規定しない限り、同様の記号は一般的に同様の構成要素を特定する。詳細な説明、図面、および請求項に記載された例示的実施形態は、限定することを意味するものではない。本明細書に提示される主題の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、他の変更を行うことができる。本明細書に一般的に記載され、図に示されたような本開示の態様は、多種多様な異なる構成で再配置され、置換され、組み合わせられ、および設計することができ、これら全ては明示的に熟慮され本開示の一部をなすことが容易に理解されるであろう。
【００２８】
静電機械は、電界トルクメカニズムを使用して機械的（例えば、運動の）および電気的方式の間で電力を変換する電気モータおよび発電機を含む。一般に、静電機械は、（誘導、永久磁石、およびリラクタンス機械で使用される誘導性原理とは対照的に）容量性原理を使用する。いくつかの実施形態では、静電機械は、平板間にキャパシタンスを生み出すために互いに近接して配置された円形平板を使用することができる。いくつかの実施形態では、平板は、回転子平板および固定子平板の間で交互に配置することができる。回転子平板は、モータおよび／または発電機のシャフトと共に回転する平板であることができ、誘導モータまたはリラクタンスモータの電機子に類似することができる。固定子平板は、モータおよび／または発電機の筐体または収納装置に対して静止している。作製された筐体または収納装置は、用途に適しており、そこで使用される流体と適合性のある任意の材料で作製される。例えば、材料は、金属、ポリマー、セラミック、またはガラスとすることができる。いくつかの実施形態では、収納装置は、アルミニウムまたはステンレス鋼から作製される。
【００２９】
一般に、エネルギー貯蔵システム（例えば、コンデンサ）は、自然に最小エネルギー状態になる。可変キャパシタンス機械（および他の静電機械）の場合、シャフトに固定された表面（例えば、回転子平板）は、筐体に固定された表面（例えば、固定子平板）とキャパシタンスを形成することができる。回転子平板と固定子平板との間に電圧が印加されると、回転子平板と固定子平板との間に電界が発生し、最小エネルギー状態の位置に回転子平板および固定子平板を整列させる方向に回転子平板および固定子平板の表面に力（例えば、トルク）を生じさせることができる。回転子平板および固定子平板は、コンデンサを形成する電極である。
【００３０】
いくつかの静電機械は、一対の電極（例えば、固定子平板および回転子平板）の間に実際の用途に対し十分なトルクおよび力を発生させるための大きな電界を生成することができる。空気は、絶縁破壊電圧（例えば、アークを引き起こす）が低い。したがって、いくつかの実施形態では、電極（例えば、固定子平板および回転子平板）の間に誘電流体を配置することができ、電極間にアークを発生させることなく高い電界を維持することができる。
【００３１】
静電機械におけるトルクおよび力の発生は、電極間の垂直およびせん断力に直接関連し得る。電極間の静電垂直力密度Ｆはクーロンの法則、
Ｆ＝（１／２）εoεＥ2
を用いて推定することができ、ここでεoは、ファラド毎メートル（Ｆ／ｍ）単位の電極間媒体の真空中誘電率であり、εは電極間媒体の静的誘電率であり、Ｅはボルト毎メートル（Ｖ／ｍ）単位の電界である。力密度は、高誘電率を有する電極間媒体を使用し、電極間にアークを生じさせない大きな電界を電極間に印加することによって最適化することができる。いくつかの実施形態では、媒体は液体状態であることができる。ほとんどの場合、液体はガスよりも高い比誘電率を有している。充填媒体を選択する際には、他の考慮すべき点も考慮に入れることができる。例えば、媒体のイオン伝導率を低くすることができる。イオン汚染物質は、電極間の電子輸送を容易にし、早い誘電破壊を生じ、したがって高電界の応用を妨げている。液体の粘度は低く、可動部分の抗力を最小限に抑えることができる。いくつかの例では、高誘電率かつ低伝導率の流体は、回転子平板と固定子平板との間に配置することができ、一般に誘電流体と呼ぶことができる。しかしながら、他の例では、低い比誘電率を有する流体を使用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、非環状カーボネートおよび／またはエーテルを使用することができ、それは比誘電率が低いかもしれないが、他の望ましい特性を有する。他の実施形態では、エステルが使用され得る。エステルは、高いまたは低い比誘電率を有し得る（例えば、非環状カーボネートと比較して）。
【００３２】
静電機械は、静電誘導機械、可変キャパシタンス／エラスタンス機械、同期静電機械、直流（ＤＣ）静電機械、静電ヒステリシス同期機械、およびコロナ機械の６つのカテゴリに分類することができる。いくつかの例では、特定の機械が１つ以上のカテゴリに分類されることがある。そのようなカテゴリは排他的ではなく、さらなるカテゴリが存在してもよい。このようなカテゴリの使用は、説明の目的でのみ使用され、限定することを意味するものではない。カテゴリの以下の記述は、各カテゴリの機械で使用される一般的、根底にある原理を説明している。
【００３３】
静電誘導機械は、進行電位波を生成するために固定子上の電極を使用することができる。電位波は、固定子に隣接する回転子上に電荷分布を誘起することができる。回転子表面は連続的であり、少なくともいくつかの例では、容量的突極性を示さない。固定子と回転子がそれらの間に正味の速度を有する（例えば、固定子と回転子とが互いに対して動く）とき、固定子と回転子との間のギャップの電界の接線成分がギャップの中に存在することができる。接線成分は、回転子の電荷にクーロン力を生じさせることができる。固定子と回転子との間の相対速度は、滑り速度と呼ぶことができる。いくつかの態様では、静電誘導機械は、ある種の滑りを使用する磁気誘導機械に類似していると考えることができる。
【００３４】
可変キャパシタンス機械は、エラスタンス機械と呼ぶことができる。可変キャパシタンス機械は、トルクを生み出すためにエラスタンスを最小化（またはキャパシタンスを最大化）することができる。固定子電極と回転子電極との間に電圧が印加されると、回転子電極は、固定子に対して最小エネルギー状態になるように回転子を整列させる方向のトルクを受けることができる。トルクは、単位角当たりのキャパシタンスの変化（例えば、ｄＣ／ｄΘ）に比例し得る。可変キャパシタンス機械は、回転角度にわたってキャパシタンスの変化を最大にするように設計することができる。キャパシタンスが角度と共に変化する仕方は、同期的（例えば、正弦的）またはスイッチ的（例えば、台形的）であってもよい。いくつかの態様では、可変キャパシタンス機械は、磁気ベースの可変リラクタンスマシンに類似していると考えることができる。
【００３５】
同期式静電機械は、回転子にわたって固定されたＤＣ電荷分布を備えた回転子を有することができる。ＤＣ電荷分布は、回転子のフレーム内にＤＣ電束場を提供することができる。ＤＣ場は回転子と共に回転することができる。固定子の電極は、回転子が回転するときに回転子に従う交流（ＡＣ）電荷および対応する電界分布を生成することができる。回転子電束および固定子電束は、同じ速度（例えば、同期速度）で進むことができる。回転子電束と固定子電束は同じ速度で進むとはいえ、回転子電束ベクトルと固定子電束ベクトルとの間の角度は、ギャップ内のせん断力を変化させることによってトルクを決定することができる。いくつかの実施形態では、回転子電束は、永久エレクトレットで作り出されるか、または回転シャフト動力連結（例えば、ブラシおよびスリップリング）を介して接続された電源を使用して別個に励起されてもよい。いくつかの態様では、同期静電機械は、磁気同期機械に類似していると考えることができる。
【００３６】
直流（ＤＣ）静電機械の根底にある原理は、同期静電機械の原理と同様である。しかしながら、ＤＣ静電機械では、固定子と回転子の役割は同期静電機械における固定子と回転子の役割とは逆になっている。固定子電極は、ＤＣ電力を使用して励起され、それにより静的電界を生成することができる。しかしながら、回転子上の電荷は機械的に整流することができる。回転子が回転すると、電荷が固定子励起で整列するようにブラシ付き整流子またはブラシなし整流子によって電荷が整流され、それにより平均トルクを発生させる。いくつかの態様では、ＤＣ静電機械は磁気ＤＣモータに類似していると考えることができる。
【００３７】
静電ヒステリシス同期機械は、回転子と固定子電束が相互作用してトルクを発生させるという点で、従来の同期機械に類似している。しかしながら、静電ヒステリシス同期機械では、電界対変位の静電ヒステリシス曲線（例えば、Ｅ−Ｄヒステリシス曲線）を有する強誘電体材料が回転子表面をコーティングすることができる。Ｅ−Ｄヒステリシス曲線は、印加された電界Ｅに対する電気変位Ｄの関数であり得る。いくつかの態様では、強誘電体材料のＥ−Ｄ曲線は、強磁性材料のＢ−Ｈ曲線に類似し得る。ある材料のＥ−Ｄ曲線の傾きは、異なる電界強度における材料の誘電率を表すことができる。強誘電体材料は、動作中に分極させることができ、同期速度で固定子電束波と共に引きずられる。いくつかの態様では、静電ヒステリシス同期機械は、磁気ヒステリシス同期モータに類似していると考えることができる。
【００３８】
コロナ機械は、上記で説明した他の５つのカテゴリの機械とは異なる。動作原理が、通常のおよび／または接線方向電界を介して電気的せん断力を生み出すというより電気流体力学的流れである点で異なる。荷電粒子は、加速されてイオン「風」を形成し得る。加速された粒子の回転子および固定子構造との機械的相互作用は、トルクを生み出し得る。コロナ機械は、マクロスケールで高い電気損失を招く可能性があり、したがって多くの応用には適さないこともある。
【００３９】
図１〜８は、可変キャパシタンス機械の様々な態様を図示する。可変キャパシタンス機械は、シャフト、骨組みおよび／または筐体、回転子平板、固定子平板、および他の部分によって占有されていない筐体内の空間を満たす誘電流体を含むことができる。誘電流体については、以下でもっと詳細に論じられる。図１〜８は、回転子電極が固定子電極内で回転する（例えば、回転子電極は中心シャフトを環囲する固定子電極を有する中心シャフトに固定される）実施形態を図示するが、任意の適切なキャパシタンス機械が使用されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では外部回転子モータを使用することができる。そのような実施形態では、固定子電極は軸に沿って固定することができ、回転子電極は固定子電極を取り囲むことができる。すなわち、回転子電極は固定子電極の周りを回転することができる。
【００４０】
図１Ａ〜１Ｃは、例示的実施形態による回転子ディスクまたは平板のいくつかの形状の断面図を図示する。図１Ａおよび１Ｂに図示する回転子平板１００は、平板の外周の周りに歯１０５を有する。図１Ｃの回転子平板１５０は、導電性部分１５５および非導電性部分１６０を有する。例えば、回転子平板１５０は、導電性であってもよく、非導電性部分１６０は、回転子平板１５０から切り出されてもよい。図１Ｄの回転子平板１７０は、複数のペグ１７５を含む。図１Ｄに示される実施形態では、回転子平板１７０は、回転子平板１７０の両側にペグ１７５を有する。代替的実施形態では、回転子平板１７０は、片側にペグ１７５を有してもよい。
【００４１】
図２Ａ〜２Ｃは、例示的実施形態による固定子リング／平板のいくつかの形状の断面図を図示する。固定子平板２００は、固定子平板２００の内周に沿って歯２０５を有することができる。例示的一実施形態では、図１Ａに示される回転子平板１００は、図２Ａに図示する固定子平板２００と共に使用することができる。代替的実施形態では、図２Ｂに示される回転子平板１００は、図２Ｂに図示する固定子平板２００と共に使用することができる。図２Ｃの固定子平板２５０は、導電性部分２５５および非導電性部分２６０を有する。例えば、固定子平板２５０は、導電性であってもよく、非導電性部分２６０は、固定子平板２５０から切り出されてもよい。図２Ｄの固定子平板２７０は、複数のペグ２７５を含む。図２Ｄに示される実施形態では、固定子平板２７０は、固定子平板２７０の片側にペグ２７５を有する。代替的実施形態では、固定子平板２７０は、両側にペグ２７５を有してもよい。例示的一実施形態では、回転子平板１７０のペグ１７５および固定子平板２７０の片側のペグ２７５は、回転子平板１７０が固定子平板２７０に対して回転する際に互いに沿って通過する。
【００４２】
他の実施形態では、回転子平板および固定子平板の形状の組み合わせが使用され得る。さらに、図１Ａ〜１Ｄおよび図２Ａ〜２Ｄに図示する回転子平板および固定子平板の形状は、使用され得る形状の例を示している。代替的実施形態では、任意の他の適切な形状を使用することができる。つまり、本明細書に説明される電極の特定の形状は、例示的なものにすぎないことを意味する。以下により詳細に説明されるように、開示された誘電流体は、電極形状または様式にかかわらず、任意の適切な静電機械において使用され得る。さらに、電磁モータが本明細書に説明されているが、誘電流体は、アクチュエータ、リニアモータ等のような任意のタイプの静電機械に使用することができる。静電機械における誘電流体の使用は、本明細書に具体的に説明された様式または特徴に限定されることを意味しない。
【００４３】
いくつかの実施形態では、組み立てたときに回転子平板１００の歯１０５は固定子平板２００の歯２０５と重なり合うことができる。歯１０５および歯２０５は、「電極」とも呼ばれ得る。図３Ａは、例示的一実施形態による回転子と固定子との間の容量の関係を図示する図式である。代替的実施形態では、追加の、より少ない、および／または異なる要素を使用することができる。図３Ａに図示するように、固定子歯２０５は、回転子歯１０５の平面に平行な平面内に配置することができる。固定子歯２０５は正に帯電され、回転子歯１０５を負に帯電させることができる。代替的実施形態では、回転子歯１０５が正に帯電され、固定子歯２０５を負に帯電させることができる。さらに他の実施形態では、回転子歯１０５と固定子歯２０５とは時間とともに極性を交互に変えることができる。
【００４４】
図３Ｂは、例示的一実施形態による回転子と固定子の位置関係を図示する。図３Ｃは、例示的一実施形態による固定子および回転子の構成の分解図の図示である。代替的実施形態では、追加の、より少ない、および／または異なる要素を使用することができる。複数の回転子平板１００と複数の固定子平板２００とをモータ内に交互に積み重ねることができる。いくつかの実施形態では、回転子平板１００および対応する固定子平板２００の数は、モータによって生成されるトルクおよび／または電力の量を少なくとも部分的に決定することができる。
【００４５】
図３Ｄは、例示的一実施形態による固定子および回転子の構成の分解図の図示である。モータ３５０は、２つの固定子平板２７０および１つの回転子平板１７０を含む。代替的実施形態では、任意の適切な数の固定子平板２７０および回転子平板１７０が使用されてもよい。固定子平板２７０は、筐体に固定され、筐体に対して回転しない。回転子平板１７０は、シャフト３５５に固定されており、両方とも筐体に対して回転する。ペグ１７５は、回転子平板１７０がシャフト３５０によって画定される軸に沿って回転する際にペグ２７５を通過して動く。
【００４６】
いくつかの実施形態では、固定子平板２００および回転子平板１００の電圧は異なる電圧で動作することができる。いくつかのこのような実施形態は、可変キャパシタンス機械を含むことができる。例えば、固定子平板２００の第１の部分（例えば３分の１）および回転子平板１００の第１の部分（例えば３分の１）は、第１の電圧で一緒に動作することができ、固定子平板２００の第２の部分（例えば３分の１）および回転子平板１００の第２の部分（例えば３分の１）は、第２の電圧で一緒に動作することができ、そして固定子平板２００の第３の部分（例えば３分の１）および回転子平板１００の第３の部分（例えば３分の１）は、第３の電圧で一緒に動作することができる。いくつかの実施形態では、第１の電圧、第２の電圧、および第３の電圧の公称電圧は同じであってもよいが、位相で異なることができる。例えば、第１の電圧、第２の電圧、および第３の電圧は、互いに１２０°だけ位相がずれていてもよい。回転子平板１００の第１の部分は、モータシャフトの第１の部分に沿って固定子平板２００の第１の部分とインターリーブすることができ、回転子平板１００の第２の部分は、モータシャフトの第２の部分に沿って固定子平板２００の第２の部分とインターリーブすることができ、そして回転子平板１００の第３の部分は、モータシャフトの第３の部分に沿って固定子平板２００の第３の部分とインターリーブすることができる。回転子平板１００の第１の部分、回転子平板の第２の部分、および回転子平板１００の第３の部分は、各々お互いから回転的に傾斜することができる。同様に、固定子平板２００の第１の部分、回転子平板２００の第２の部分、および回転子平板２００の第３の部分は、各々お互いから回転的に傾斜することができる。例えば、各部分は歯１０５および／または歯２０５の幅の３分の１だけ傾斜することができる。
【００４７】
歯１０５および歯２０５の形状は、キャパシタンス波形の輪郭を決定することができる。図５Ａおよび図５Ｂは、例示的実施形態による固定子と回転子との間のキャパシタンス対角度位置のプロット図である。図５Ａおよび図５Ｂは、キャパシタンス波形の輪郭の例を図示する。図５Ａは、図１Ａの回転子平板１００および図２Ａの固定子平板２００のキャパシタンス波形の輪郭を図示する。図５Ｂは、図１Ｂの回転子平板１００および図２Ｂの固定子平板２００のキャパシタンス波形の輪郭を図示する。
【００４８】
キャパシタンス波形の輪郭は、対応するトルク波形を決定することができる。トルク波形の形は、回転子平板１００および固定子平板２００の位置に対するキャパシタンスの導関数とすることができる。回転子平板１００と固定子平板２００とが互いに対して回転するとき、電力電子変換器または他の適切な装置によって、回転子平板１００および固定子平板２００に電圧を印加することができる。キャパシタンスが図５Ａのような台形波形として変化する実施形態では、電力電子変換器による回転子平板１００および固定子平板２００との間の印加電圧はパルスまたは方形波であることができる。キャパシタンスが図５Ｂのような正弦波形として変化する実施形態では、電力電子変換器による印加電圧は正弦波であることができる。
【００４９】
図５Ａおよび５Ｂに図示する例は、それぞれスイッチ式および同期式キャパシタンスモードを表す。上記で論じたように、そのような例は歯１０５および歯２０５を使用した結果である。代替的実施形態では、固定子および回転子平板はらせん状の線または脈が互いに交差するような仕方で打ち抜かれてもよい。図４Ａは、例示的一実施形態による放射状脈を有する回転子を図示する。図４Ｂは、例示的一実施形態による放射状脈を有する固定子を図示する。代替的実施形態では、追加の、より少ない、および／または異なる要素を使用することができる。
【００５０】
回転子４００は、シャフトを挿入することができる中空の中心４０５を含むことができる。回転子４００をシャフトに固定するために、ハブ取り付け孔４１０を使用することができる。スリット４１５を回転子４００に形成することができる。スリット４１５は、回転子４００が軸方向にたわむことを可能にするたわみ梁を規定することができる。回転子４００の螺旋は、導電区画４２０および絶縁区画４２５を含むことができる。
【００５１】
固定子４５０は、シャフトを挿入することができる中空の中心４５５を含むことができる。平板取り付け穴４６０は、固定子４５０がモータの筐体に対して動かないように固定子４５０を回転的に固定するために使用することができる。スリット４６５を回転子４５０に形成することができる。スリット４６５は、固定子４５０が軸方向にたわむことを可能にすることができる。固定子４５０の螺旋は、導電区画４７０および絶縁区画４７５を含むことができる。
【００５２】
図４Ｃは、に例示的一実施形態よる放射状脈を有する固定子および回転子の構成の分解図の図示である。代替的実施形態では、追加の、より少ない、および／または異なる要素を使用することができる。図４Ｃに示すように、複数の回転子４００と複数の固定子４５０とをモータに交互に積み重ねることができる。いくつかの実施形態では、回転子４００および固定子４５０のそれぞれの螺旋形状の方向は同じであってもよい。
【００５３】
図６は、例示的一実施形態による静電機械の図示的な断面図である。図７Ａおよび７Ｂは、例示的一実施形態による静電機械の外観図を図示する。図８は、例示的一実施形態による静電機械のいくつかの構成要素の分解図の図示である。代替的実施形態では、追加の、より少ない、および／または異なる要素を使用することができる。図６は、モータ６００の破断図であり、図７Ａおよび７Ｂは、モータ６００の外観図であり、図８は、モータ６００の分解図である。モータ６００は、シャフト６０５、固定子および回転子平板６１０、筐体６１５、誘電流体再循環路６２０、流体再循環路接続部６２５、およびシール６３０を含むことができる。
【００５４】
固定子および回転子平板６１０の固定子は、筐体６１５に回転可能に固定することができる。固定子および回転子平板６１０の回転子は、シャフト６０５に回転可能に固定することができる。シャフト６０５は、筐体６１５内で回転することができる。筐体６１５は、誘電流体で充填することができる。誘電流体は、１つ以上の再循環路６２０を通して再循環させることができる。シャフト６０５が、したがって、固定子および回転子平板６１０の回転子平板が回転しているとき、誘電流体は半径方向に再循環路６２０を通って押し出されることができる。再循環路６２０の使用は、固定子および回転子平板６１０の回転子平板上の流体抗力を減少させることができる。いくつかの実施形態では、再循環路６２０は、フィルタ、放熱器、熱交換器、および／または誘電流体の性能を維持および／または向上させることができる他の要素を含むことができる。シール６３０は、筐体６１５が静止している間にシャフト６０５が回転できるように、筐体６１５の流体の完全な状態を維持するように構成することができ、誘電流体は筐体６１５内に留まることができる。
【００５５】
いくつかの実施形態では、回転子平板および／または固定子平板を金属シートから打ち抜くことができる。例えば、図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、４Ａ、および４Ｂに図示された形状は、打ち抜くことができる。回転子平板および／または固定子平板の打ち抜きは、製造を援助し、回転子平板および／または固定子平板の大量生産を可能にすることができる。別の実施形態では、回転子平板および／または固定子平板は、導電性の有無にかかわらずプラスチックで作製され得る。例えば、回転子平板および／または固定子平板は、射出成形によってまたは三次元印刷によって作成され得る。例示的一実施形態では、金属の層が、プラスチック平板表面上に堆積されて、平板の導電特性を向上させる。
【００５６】
図１〜７は、電極として平板を使用する静電機械を図示しているが、電極の任意の適切な構成が使用され得る。例えば、静電機械は、米国特許第３，０９４，６５３号、同第３，４３３，９８１号、同第６，３５３，２７６号、および同第８，７７９，６４７号に説明されているものと同一または類似であってもよく、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、かかる例は、本明細書に説明された様々な誘電流体と共に使用され得る静電機械のタイプまたは構成に関して限定することを意味するものではない。代替的実施形態では、静電モータまたはアクチュエータが使用され得る。例えば、駆動電極（例えば、回転子）および固定子電極を有する任意の適切な静電機械が使用され得る。駆動電極は、回転（例えば、上述のモータの例では）または直線的に（例えば、リニアアクチュエータにおいて）等の、任意の適切な方式で固定子電極に対して動くことができる。静電機械は、歯車、クラッチ、係合機構等の任意の適切な組み合わせと共に使用することができる。
【００５７】
上記のように、モータ６００等のモータは、電気エネルギーを回転運動エネルギーに変換することができる。電気エネルギーは、３相交流（ＡＣ）電力またはパルス化された直流（ＤＣ）電力とすることができる。いくつかの実施形態では、直流（ＤＣ）電力を３相ＡＣ電力に変換することができ、それは、静電誘導機械、可変キャパシタンス／エラスタンス機械、同期静電機械、直流（ＤＣ）静電機械、および静電ヒステリシス同期機械のような静電機械に電力を供給するために使用することができる。直流電力は、インバータにより３相交流電力に変換することができる。電流源インバータ（ＣＳＩ）またはスイッチトキャパシタコンバータ（ＳＣＣ）は、静電機械等の負荷に一定の電流出力を維持することができる。電圧源インバータ（ＶＳＩ）は、負荷に定電圧出力を維持することができる。いくつかの実施形態では、ＣＳＩ、ＳＣＣ、および／またはＶＳＩは、時間平均化された可変出力のためにパルス幅変調されてもよい。いくつかの実施形態では、ＣＳＩ、ＳＣＣ、および／またはＶＳＩは、ＡＣ、ＤＣ、またはパルス化されたＤＣ電圧もしくは電流を負荷に印加してもよい。
【００５８】
いくつかの実施形態は、電力を静電気機械に供給するためにＶＳＩ、ＳＣＣ、および／またはＣＳＩを使用することができる。いくつかの実施形態では、静電機械と共に使用されるとき、ＣＳＩおよび／またはＳＣＣは、ＶＳＩに勝る著しい利点を有することができる。いくつかの例では、最も効率的に動作するために、ＶＳＩは、キャパシタンス機械が本質的に有していない誘導特性をＶＳＩの負荷端子に要求するため、ＶＳＩは、可変キャパシタンス機械に直接接続することができない。しかしながら、ＣＳＩおよびＳＣＣは、最も効率的に動作するために、ＣＳＩ／ＳＣＣの負荷端子にキャパシタンス機械が本質的に有している、容量特性を有し得る。したがって、いくつかの実施形態では、インバータと静電機械との間に受動部品（例えば、抵抗器、コンデンサ、インダクタ等）を使用せずにＣＳＩおよび／またはＳＣＣは、静電機械に直接接続することができる。
【００５９】
図９Ａおよび９Ｂは、例示的実施形態による３相インバータおよび３相機械の回路図である。図９Ｃおよび９Ｄは、例示的実施形態による３相インバータの単相の回路図である。代替的実施形態では、追加の、より少ない、および／または異なる要素を使用することができる。例えば、図９Ａおよび図９Ｂは、３相システムを図示しているが、２相、４相、５相、１０相等の任意の適切な多相システムが使用されてもよい。図９Ａは、例示的一実施形態による、静電機械等の３相ＡＣ機械と共に使用される３相ＣＳＩの回路図である。図９Ｃは、図９Ａの３相ＣＳＩの単相の回路図である。インバータ９００は、直流電源９０５によって給電することができ、ＤＣリンクインダクタ９２０および複数のスイッチ９１０を含むことができる。図９Ａに図示するように、インバータ９００は、３相ＡＣ機械９１５にＡＣ電力を供給するように使用することができ、それは静電機械となる。図９Ｃに図示するように、インバータ９００は、多相ＡＣ電力の１相をＡＣ機械９１５に供給するように使用することができる。スイッチ９１０は、例えばコントローラによって、３相ＡＣ機械９１５に接続された３つの電線の電力が３相ＡＣであるように任意の適切な仕方で制御することができる。いくつかの実施形態では、受動部品（例えば、抵抗器、コンデンサ、インダクタ等）は、インバータ９００と３相ＡＣ機械９１５との間に使用されない。
【００６０】
図９Ｂは、例示的一実施形態による、静電機械のような、３相ＡＣ機械で使用される３相電圧源インバータの回路図である。図９Ｄは、図９Ｂの３相電圧源インバータの単相の回路図である。インバータ９３５は、直流電源９０５によって給電することができ、ＤＣリンクコンデンサ９２５、複数のスイッチ９１０、および複数のインダクタ９３０を含むことができる。図９Ｂに示すように、インバータ９３５は、ＡＣ電力を３相ＡＣ機械９１５に供給するために使用することができる。図９Ｄに示すように、インバータ９３５は、多相ＡＣ電力の１つの相をＡＣ機械９１５に供給するために使用することができる。スイッチ９１０は、３相ＡＣ機械９１５に接続された３つの電線の電力が３相ＡＣであるように、例えばコントローラによって、任意の適切な仕方で制御されることができる。
【００６１】
図９Ｅおよび９Ｆは、例示的実施形態による３相機械の単相に電力を供給する３相インバータの単相昇降圧コンバータの回路図である。代替的実施形態では、追加の、より少ない、および／または異なる要素を使用することができる。図９Ｅおよび９Ｆは、可変キャパシタンス静電機械のような３相静電機械の単相を駆動する単相電圧源昇降圧コンバータの回路図である。
【００６２】
図９Ｅは、ＤＣ電源９５５からのＤＣ電力を静電機械９６０用のＡＣ電力またはパルス化されたＤＣ電力に変換する電力コンバータ９５０を図示する。コンバータ９５０は、ＤＣリンクコンデンサ９６５、スイッチ９７５、およびインダクタ９７０を含むことができる。図９Ｅに示された実施形態では、スイッチ９７５は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）およびダイオードを含むことができる。代替的実施形態では、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）およびダイオードを使用することができる。さらに他の実施形態では、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、サイリスタ、集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）、リードスイッチ、コンタクタ、リレー等のような任意の適切なスイッチング素子が使用され得る。いくつかの実施形態では、スイッチング素子が、ダイオードと共に使用され得る（例えば、図９Ｅに図示されるように）。他の実施形態では、スイッチング素子はダイオードと共に使用されなくてもよい。図９Ｅに示すように、コンバータ９５０はハーフブリッジであり、フルブリッジより少ない能動半導体構成要素を使用することができる。図９Ｅに図示したコンバータ９５０の構成は、ＤＣ電源９５５から静電機械９６０へ電圧をステップダウン（例えば、「降圧」）することができる。その構成は、静電機械９６０からの電圧をステップアップ（例えば、「昇圧」）することによってエネルギーをＤＣ電源９５５に戻すことができる。ステップアップとステップダウンは時間の経過とともに変えることができる。代替的実施形態では、本明細書に説明された任意のスイッチは、任意の適切な電子式または機械式のスイッチとすることができる。
【００６３】
図９Ｆは、ＤＣ電源９５５からのＤＣ電力を静電機械９６０のためのＡＣ電力に変換する電圧源コンバータ９８０を図示する。コンバータ９８０は、ＤＣリンクコンデンサ９６５、スイッチ９７５、およびインダクタ９８５を含むことができる。図９Ｆに示した実施形態では、スイッチ９７５は、ＩＧＢＴおよびダイオードを含むことができる。代替的実施形態では、ＭＯＳＦＥＴおよびダイオードを使用することができる。図９Ｆに示すように、コンバータ９８０はハーフブリッジであり、フルブリッジより少ない能動半導体構成要素を使用することができる。図９Ｆに図示したコンバータ９８０の構成は、ＤＣ電源９５５から静電機械９６０へ電圧をステップアップ（例えば、「昇圧」）することができる。その構成は、静電機械９６０からの電圧をステップダウン（例えば、「降圧」）することによってエネルギーをＤＣ電源９５５に戻すことができる。ステップアップとステップダウンは時間の経過とともに変えることができる。
【００６４】
図１０Ａおよび１０Ｂは、例示的実施形態によるスイッチを作成するいくつかの例の図式である。図１０Ａは、電圧源インバータのスイッチを生成するいくつかの例を提供する。図１０Ｂは、電流源インバータのスイッチを生成するいくつかの例を提供する。いくつかの実施形態では、スイッチ９１０はそれぞれ、１つ以上の半導体スイッチを含むことができる。半導体スイッチは、５００ボルト（Ｖ）以上の電圧を遮断することができる。いくつかの実施形態では、半導体スイッチは、スイッチの基板としてシリコン（例えば、結晶シリコン）を含むことができる。代替的実施形態では、半導体スイッチは、スイッチの基板として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド等のようなワイドバンドギャップ半導体を含むことができる。代替的実施形態では、図９Ａ〜９Ｆに図示された各スイッチ９１０は、炭化ケイ素半導体スイッチおよびダイオードとすることができる。
【００６５】
例示的一実施形態では、図９Ｂおよび９Ｄに図示する各スイッチ９１０は、図１０Ａの図式（ｉ）および（ｉｉ）に図示するように、単一の炭化ケイ素半導体スイッチおよびダイオードとすることができる。代替的実施形態では、シリコン半導体スイッチおよび／またはダイオードが使用されてもよい。図１０Ａの図式（ｉ）および（ｉｖ）に示すように、いくつかの実施形態では、各スイッチ９１０は、対応するダイオードを有する１つ以上のＩＧＢＴを含むことができる。図１０Ａの図式（ｉｉ）および（ｉｉｉ）に示すように、いくつかの実施形態では、各スイッチ９１０は、対応するダイオードを有する１つ以上のＭＯＳＦＥＴを含むことができる。図１０Ａの図式は、それぞれ一方向の電圧を遮断することができ、電流がどちらの方向にも流れることを許す。したがって、図１０Ａの図式は、電圧源インバータのスイッチ９１０として使用することができる。図１０Ａの図式（ｉｉｉ）および（ｉｖ）に示すように、スイッチ９１０の電圧遮断能力を増加させるために図式（ｉｉ）および（ｉ）に図示された複数のスイッチはそれぞれ、直列に積み重ねることができる。
【００６６】
図１０Ａの図式（ｖ）から（ｖｉｉ）に図示されるように、スイッチ９１０は、１つ以上の物理的スイッチおよびダイオードを並列に含み得る。例えば、図式（ｖ）は、各スイッチが１つの機械的スイッチおよび１つのダイオードを並列に含む実施形態を示す。図式（ｖｉ）は、各スイッチ９１０が、各々直列である複数（すなわち、２つ以上）のダイオードと並列に機械的スイッチを含む実施形態を示す。代替的実施形態では、ダイオードは、互いに並列であってもよい。図式（ｖｉｉ）は、各スイッチ９１０が複数のダイオードと並列に複数の機械的スイッチを含む実施形態を示す。実施形態に応じて、機械的スイッチの数は、各スイッチ９１０のダイオードの数と等しくてもよく、または等しくなくてもよい。代替的実施形態では、任意の適切な構成が使用され得る。
【００６７】
いくつかの実施形態では、各スイッチの両端の電圧がほぼ同じになるように、追加の受動および／または能動構成要素を各スイッチに追加されてもよい。例えば、抵抗器を各スイッチと並列に接続することができる。代替的実施形態では、ダイオード、抵抗、コンデンサ等の任意の適切な組み合わせまたは使用は、各スイッチ両端の電圧を一様にするために使用され得る。
【００６８】
例示的一実施形態では、図９Ａおよび９Ｃに図示する各スイッチ９１０は、図１０Ｂの図式（ｉ）および（ｉｉ）に図示するように、単一の炭化ケイ素半導体スイッチおよびダイオードとすることができる。代替的実施形態では、シリコン半導体スイッチおよび／またはダイオードが使用されてもよい。いくつかの実施形態では、図１０Ｂの図式（ｉ）および（ｉｖ）に図示するように、各スイッチ９１０は、対応するダイオードを有する１つ以上ＩＧＢＴおよびＩＧＢＴとそれらに対応するダイオードに直列の１つ以上のダイオードを含むことができる。いくつかの実施形態では、図１０Ｂの図式（ｉｉ）および（ｉｉｉ）に図示するように、各スイッチ９１０は、対応するダイオードを有する１つ以上のＭＯＳＦＥＴおよびＭＯＳＦＥＴとそれらに対応するダイオードに直列の１つ以上のダイオードを含むことができる。図１０Ｂの図式は、それぞれ一方向に電流を流し、両方向に電圧を遮断することができる。したがって、図１０Ａの図式は、電流源インバータのスイッチ９１０として使用することができる。図１０Ｂの図式（ｉｉｉ）および（ｉｖ）に図示するように、図式（ｉｉ）および（ｉ）に図示されている複数のスイッチはそれぞれ、スイッチ９１０の電圧遮断能力を増加させるために直列に積み重ねることができる。
【００６９】
図１０Ｂの図式（ｖ）〜（ｖｉｉ）に図示されるように、スイッチ９１０は、１つ以上の物理的スイッチおよびダイオードを直列に含み得る。例えば、図式（ｖ）は、各スイッチが、１つの機械的スイッチおよび１つのダイオードを互いに直列に含む実施形態を示す。図式（ｖｉ）は、各スイッチ９１０が、各々直列である複数の（例えば、２つ以上の）ダイオードと直列に機械的スイッチを含む実施形態を示す。代替的実施形態では、ダイオードは、互いに並列であってもよい。図式（ｖｉｉ）は、各スイッチ９１０が、互いに並列にかつ複数のダイオードを有する複数の機械的スイッチを含む実施形態を示す。実施形態に応じて、機械的スイッチの数は、各スイッチ９１０のダイオードの数と等しくてもよく、または等しくなくてもよい。代替的実施形態では、任意の適切な構成が使用され得る。いくつかの実施形態では、各スイッチの両端の電圧がほぼ同じになるように、追加の受動および／または能動構成要素を各スイッチに追加されてもよい。
【００７０】
図１１Ａおよび１１Ｂは、例示的実施形態による容量性機械駆動制御システムのブロック図である。代替的実施形態では、追加の、より少ない、および／または異なる要素を使用することができる。また、要素間の矢印の使用は、エネルギーの流れの方向に関して制限的であることを意味するものではない。図１１Ａは、ＶＳＩ電源によって給電される３相機械を制御する実施形態のブロック図である。システム１１００は、電力１１０５、ＶＳＩ１１１０、インダクタ１１１５、機械１１２０、機械動力１１２５、電圧検知フィードバック１１３０、コントローラ１１３５、および位置検知線１１４０を含むことができる。図１１Ａに図示するように、電力１１０５をシステム１１００に入力することができ、機械動力１１２５をシステム１１００から出力することができる。代替的実施形態では、機械動力１１２５をシステム１１００に入力することができ、電力１１０５をシステム１１００から出力する（例えば、機械１１２０を発電機として使用することによって）ことができる。さらに、図１１Ａは、３相システムを図示しているが、任意の適切な数の位相が使用できる。機械１１２０は、多相静電機械であることができる。
【００７１】
電力１１０５は、ＶＳＩ１１１０に入力することができる。いくつかの実施形態では、電力１１０５は直流電力とすることができ、ＶＳＩ１１１０はインバータ９３５のような電圧源インバータとすることができる。ＶＳＩ１１１０と機械１１２０との間の電気的接続の電力は、交流電圧を有することができる。インダクタ１１１５を、ＶＳＩ１１１０と機械１１２０との間の電気接続の各脚部に配置することができる。
【００７２】
電圧検知フィードバック１１３０を、制御ループ内で使用することができる。電圧検知フィードバック１１３０は、機械１１２０の固定子電極と回転子電極との間の電圧を検知するために１つ以上のセンサを使用することができる。電圧検知フィードバック１１３０は、検知した電圧を指し示す信号をコントローラ１１３５に送ることができる。コントローラ１１３５は、検知電圧を設定電圧と比較することができる。その比較に基づいて、コントローラ１１３５は、ＶＳＩ１１１０のスイッチングの変化を指し示すことができる。コントローラ１１３５は、比例制御ループ、積分制御ループ、微分制御ループ、またはそれらの任意の組み合わせを使用することができる。
【００７３】
機械１１２０によって出力されるトルクの量は、機械１１２０の固定子電極と回転子電極との間に印加される電圧信号に依存することができる。したがって、コントローラ１１３５は、ＶＳＩ１１１０のスイッチングの変化を指し示すことによって、機械１１２０によって出力されるトルクを修正することができる。いくつかの実施形態では、電圧検知フィードバック１１３０によって検知された電圧信号は、交流電圧信号であり得る。同様に、設定点電圧は交流電圧信号であることができる。電圧検知フィードバック１１３０によって出力されるＶＳＩ１１１０のスイッチングの変化の指示は、周波数、振幅、位相等の変化の指示を含むことができる。
【００７４】
図１１Ａに示すように、位置検知線１１４０は、機械１１２０のシャフトの位置をコントローラ１１３５に入力するために使用することができる。コントローラ１１３５は、機械１１２０に何ボルト印加すべきかを決定するために機械１１２０のシャフトの回転方向を使用することができる。例えば、位置検知線１１４０は、固定子電極と回転子電極との間の電圧の振幅、位相、周波数等を変えるために使用することができる。いくつかの実施形態では、以下でより詳細に論じるように、コントローラ１１３５はコントローラ１２００とすることができる。
【００７５】
図１１Ｂは、ＣＳＩ電源によって給電される３相機械を制御する実施形態のブロック図である。システム１１５０は、電力１１５５、ＣＳＩ１１６０、機械１１７０、機械動力１１７５、電圧検知フィードバック１１８０、コントローラ１１８５、および位置検知線１１９０を含むことができる。図１１Ｂに図示するように、電力１１５５をシステム１１５０に入力することができ、機械動力１１７５をシステム１１５０から出力することができる。代替的実施形態では、機械動力１１７５をシステム１１５０に入力することができ、電力１１５５をシステム１１５０から出力する（例えば、機械１１５０を発電機として使用することによって）ことができる。さらに、図１１Ｂは、３相システムを図示しているが、任意の適切な数の位相が使用できる。機械１１２０は、多相静電機械であることができる。
【００７６】
電力１１５５は、ＣＳＩ１１１０に入力することができる。いくつかの実施形態では、電力１１５５は直流電力とすることができ、ＣＳＩ１１１０はインバータ９００のような電流源インバータとすることができる。ＣＳＩ１１１０と機械１１７０との間の電気的接続の電力は、交流電圧を有することができる。電圧検知フィードバック１１８０は、コントローラ１１８５および位置検知線１１９０を有する制御ループ内で使用することができ、それは図１１Ａに関して上記に説明したように動作することができる。
【００７７】
図１１Ｃは、例示的一実施形態による静電機械に給電するための回路アーキテクチャのブロック図である。代替的実施形態では、追加の、より少ない、および／または異なる要素を使用することができる。回路は、電源１１９２、複数の電力コンバータ１１９４、インダクタ１１９６、および機械１１９８を含むことができる。上記で論じたように、電源１１９２は直流電源とすることができる。電力コンバータ１１９４は、電源１１９２からの電力を機械１１９８による使用のための交流電圧電力に変換するように構成することができる。いくつかの実施形態では、電力コンバータ１１９４は、機械１１９８によって生成された動力を直流電力のような電力に変換するように構成することができる。図１１Ｃに図示する実施形態では、３相システムが示されている。しかしながら、任意の適切な数の相を使用することができる。機械１１９８は、多相静電機械であることができる。
【００７８】
電力コンバータ１１９４は、ＶＳＩ、ＳＣＣ、またはＣＳＩ電力コンバータを含む任意の適切な電力コンバータとすることができる。図１１Ａに示すように、電力コンバータ１１９４は、互いに並列にすることができ、それぞれが電力相を機械１１９８に提供するように構成することができる。インダクタ１１９６は、機械１１９８の各相に図示されている。しかしながら、代替的実施形態では、インダクタ１１９６は使用されなくてもよい。
【００７９】
１馬力を超えるまで静電機械をスケールアップするには、中から高電圧を用いることができる。例えば、回転子平板と固定子平板との間に１０００Ｖを超える電圧を使用することができる。静電誘導機械、可変キャパシタンス／エラスタンス機械、同期静電機械、および静電ヒステリシス同期機械は、中から高ＡＣ電力を使用することができる。直流（ＤＣ）静電機械およびコロナ機械は、高電圧ＤＣ電力を使用することができる。４分の１馬力を超え、１メガワット（ＭＷ）未満（例えば、約１，３４１馬力）を生み出すことができる静電機械に対しては、高電圧パワー電子ドライブを使用することができる。しかしながら、静電機械の使用にも適している高電圧可変周波数ＡＣまたはパルス化されたＤＣ電源は、一般に市販で入手することができない。
【００８０】
しかしながら、図９Ａ〜９Ｆおよび図１０Ａおよび１０Ｂを参照して上述されたように、様々な高電圧可変周波数ＡＣまたはパルス化されたＤＣ電源を使用することができる。高電圧可変周波数ＡＣまたはパルス化されたＤＣ電源の使用により、実用的で商業的および／または産業的用途において使用可能な４分の１馬力出力を超える電磁機械を作ることができる。
【００８１】
静電機械は、様々な用途に使用することができる。１馬力未満の出力の静電機械は、効率的かつコンパクトにすることができる。しかしながら、静電機械のサイズを大型化することは、実装において障害を生じる可能性がある。
【００８２】
いくつかの例では、固定子平板と回転子平板の表面の間のギャップに誘電流体の破壊が生じ得る。トルクは、ギャップ電界の二乗に比例する。ギャップ電界強度は、固定子平板と回転子平板との間に印加される電圧に比例する。誘電流体の破壊は、固定子平板と回転子平板との間のアークに至る可能性がある。アーク発生事象は、作り出されるトルクの量を低減させることになる。誘電流体の破壊は、静電誘導機械、可変キャパシタンス／エラスタンス機械、同期静電機械、直流（ＤＣ）静電機械、および静電ヒステリシス同期機械に問題を引き起こす。いくつかの実施形態では、アークを防止するために静電機械の筐体内に超高真空（例えば、１０-2トル未満）を使用することができる。しかしながら、真空ポンプ、真空シールを持つこと等は、コストが非常に高くなる可能性がある。さらに、固定子平板と回転子平板との間のギャップにおける比誘電率材料の損失は、機械の有効性を低下させることになる。
【００８３】
静電モータのギャップ変位場は、固定子平板と回転子平板との間のギャップ内の変位場とすることができる。ギャップ変位場強度は、ギャップを充填する媒体の比誘電率に比例することができる。化学的および電気的に安定で、および／または適切である十分な比誘電率（例えば、７より大きい）および／または低い電気伝導率（例えば、１センチメートル当たり１０-9シーメンス（Ｓ／ｃｍ））を有する流体を、機械の効率を高めるために使用することができる。ギャップ変位場を向上させることは、所定の電圧に対するギャップ内の静電剪断力を増加することにより静電誘導機械、可変キャパシタンス／エラスタンス機械、同期静電機械、直流（ＤＣ）静電機械、および静電ヒステリシス同期機械にとって有益となり得る。
【００８４】
したがって、静電機械の固定子平板と回転子平板との間のギャップを充填し、高誘電率、低伝導率、低粘度を有する流体は、化学的に安定で機械部品に適しており、電気的に安定で機械部品に適しており、静電機械に有益であり得る。いくつかの実施形態では、充填流体の有益な特性は、低毒性および低可燃性等の実用的な特性も含むことができる。充填流体は、誘電流体であってよい。
【００８５】
いくつかの実施形態では、高粘度流体が使用され得る。例えば、機械からの回転または直線の力の除去が速められるべきである、機械が短い回転またはストローク長を有する（例えば、リニアアクチュエータにおいて）実施形態では使用され得る。実施形態に応じて、任意の適切な特性が選択され得る。
【００８６】
高誘電率流体を有する流体は、高い双極子モーメントを有する分子構造を有することができる。いくつかの例では、強力な双極子−双極子相互作用は、一般により高い粘度およびより高い沸点をもたらすことができる。例えば、炭素鎖中の炭素数を増加させることは、典型的には、双極子モーメントを増加させ、同様に、粘度を増加させる。しかしながら、炭素鎖の分岐を増加させても双極子モーメントが増加しない場合がある。代替的に、低誘電率流体は、より高い双極子モーメント、同様に、より高い粘度を有するように誘起され得る。いくつかの実施形態では、より高い双極子モーメントが、強い電界の導入を通して誘起され得る。それゆえに、高誘電率を有するいくつかの流体はまた、比較的高粘度を有し得、低誘電率を有するいくつかの流体はまた、比較的高粘度を有し得る。
【００８７】
多くの例では、高誘電率流体は、本質的に高い伝導率を有する。純度９９．５％の市販で入手可能な高誘電率液体のいくつかは、静電機械内の誘電流体として有効であるにはあまりにも多い汚染物質を含む。微量のイオン、ガス、および／または高度に可動性の分子の存在は、容認できないほど高い電気的損失および／または早期破壊につながる可能性がある。
【００８８】
いくつかの実施形態では、高誘電率の液体は、適切な技術を用いて精製することができる。例えば、精製は、脱水、脱ガス、蒸留、またはイオン除去によって行うことができる。いくつかの実施形態では、高電圧絶縁体は、１０-12Ｓ／ｃｍ未満のイオン伝導率を有することができる。
【００８９】
上記の実施形態のいずれにおいても、エステルが、誘電流体として使用することができる。例示的なエステルとしては、式ＲＣ（Ｏ）Ｏ−Ｒ’のものが挙げられ、式中、ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のアルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、Ｒは、置換または非置換のＣ1−Ｃ30アルキルまたはアルケニル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒは、１つ以上の炭素−炭素二重結合を含み得る。いくつかの実施形態では、Ｒは、２つ以上の炭素−炭素二重結合を含み得る。いくつかの実施形態では、炭素−炭素二重結合は、トランスであってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒは、１つ以上のアルキル分岐基を含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の分岐基は、置換または非置換のＣ1−Ｃ6アルキル基を含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上のアルキル分岐は、Ｃ1−Ｃ3アルキル基を含み得る。いくつかの実施形態では、Ｒは、置換または非置換のＣ1−Ｃ24アルキルまたはアルケニル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒは、置換または非置換のＣ1−Ｃ12アルキルまたはアルケニル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒは、置換または非置換のＣ1−Ｃ10アルキル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒは、置換または非置換のＣ2−Ｃ12アルケニル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒは、１つ以上のアルキル分岐基で任意に置換された、置換または非置換のメチル、ペンチル、ヘキシル、オクチル、ペンテニル、ヘキセニル、またはオクテニル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒは、１つ以上のアルキル分岐基で任意に置換されたペンチル、ヘキシル、ペンテニル、またはオクテニル基であってもよい。いくつかの実施形態では、オクテニル基は、２つ以上の炭素−炭素二重結合を含み得る。いくつかの実施形態では、オクテニル基は、１つ以上のＣ1−Ｃ6アルキル分岐基を含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上のアルキル分岐は、Ｃ1−Ｃ3アルキル基を含み得る。いくつかの実施形態では、オクテニル基は、３，７−ジメチル−２，６−オクタジエニル基（「ゲラニル基」）であり得る。いくつかの実施形態では、Ｒは、ペンチル、ゲラニル、またはヘキシル基であり得る。
【００９０】
いくつかの実施形態では、Ｒ’は、置換または非置換のＣ1−Ｃ30アルキルまたはアルケニル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒ’は、１つ以上の炭素−炭素二重結合を含み得る。いくつかの実施形態では、炭素−炭素二重結合は、トランスであってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒ’は、置換または非置換のＣ1−Ｃ24アルキルまたはアルケニル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒ’は、置換または非置換のＣ1−Ｃ12アルキルまたはアルケニル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒ’は、１つ以上のアルキル分岐基を含み得る。いくつかの実施形態では、分岐基は、置換または非置換のＣ1−Ｃ6アルキル基を含み得る。いくつかの実施形態では、分岐基は、置換または非置換のＣ1−Ｃ3アルキル基を含み得る。いくつかの実施形態では、Ｒ’は、置換または非置換のＣ1−Ｃ10アルキル基、置換または非置換のＣ2−Ｃ10アルケニル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒ’は、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、またはペンテニル基であってもよい。ペンテニル基は、１つ以上のＣ1−Ｃ6アルキル分岐基を含み得る。いくつかの実施形態では、１つ以上のアルキル分岐は、Ｃ1−Ｃ3アルキル基を含み得る。いくつかの実施形態では、ペンチル基は、４，４−ジメチル−ペンチル基であってもよい。いくつかの実施形態では、ペンテニル基は、４，４−ジメチル−２−ペンテニル基であってもよい。
【００９１】
いくつかの実施形態では、ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ30アルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ24アルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、ＲおよびＲ’は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ12アルキルまたはアルケニル基である。いくつかの実施形態では、Ｒは、置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ30アルキル基、または置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ30アルケニル基であってもよく、Ｒ’は、置換または非置換のＣ1−Ｃ3アルキル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒは、置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ10アルキル基、または置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ12アルケニル基であってもよく、Ｒ’は、置換または非置換のＣ1−Ｃ3アルキル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒ’は、置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ30アルキル基、または置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ30アルケニル基であってもよく、Ｒは、置換または非置換のＣ1−Ｃ3アルキル基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒ’は、置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ10アルキル基、または置換もしくは非置換のＣ5−Ｃ12アルケニル基であってもよく、Ｒは、置換または非置換のＣ1−Ｃ3アルキル基であってもよい。いくつかの実施形態では、エステルは、
【化２】
2019537919.tif 000004
およびそれらの２つ以上の組み合わせからなる群から選択され得る。
【００９２】
例示的なエステルとしてはまた、式ＲC−Ｏ（Ｏ）ＣＨＲBＣ（Ｏ）Ｏ−ＲAのものも挙げられ、式中、ＲAおよびＲCは、個々に置換または非置換のアルキルまたはアルケニル基であり、ＲBは、置換または非置換のアルキレン基である。いくつかの実施形態では、ＲAおよびＲCは、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ12アルキル基である。いくつかの実施形態では、ＲAおよびＲCは、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ6アルキル基である。いくつかの実施形態では、ＲAおよびＲCは、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ3アルキル基である。いくつかの実施形態では、ＲAおよびＲCは、メチルである。いくつかの実施形態では、ＲBは、置換または非置換のＣ4Ｃ−24アルキレン基であってもよい。いくつかの実施形態では、ＲBは、置換または非置換のＣ4Ｃ−12アルキレン基であってもよい。いくつかの実施形態では、ＲBは、１つ以上のアルキル分岐基を含み得る。いくつかの実施形態では、分岐基は、置換または非置換のＣ1−Ｃ6アルキル基を含み得る。いくつかの実施形態では、分岐基は、置換または非置換のＣ1−Ｃ4アルキル基を含み得る。いくつかの実施形態では、分岐基は、１つ以上のアルキル分岐基（すなわち、２級アルキル分岐基）を含み得る。いくつかの実施形態では、分岐基は、ｔ−ブチル基であってもよい。いくつかの実施形態では、エステルは、
【化３】
2019537919.tif 000005
であってもよい。
【００９３】
例示的なエステルとしてはまた、式ＲＯＣ（Ｏ）ＣＲ”Ｃ（Ｏ）ＯＲ’のものが挙げられ、式中、Ｒ、Ｒ’およびＲ”は、個々に置換または非置換のアルキルまたはアルケニル基である。式中、Ｒ、Ｒ’、およびＲ”は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ30アルキルまたはアルケニル基であってもよい。式中、Ｒ、Ｒ’、およびＲ”は、個々に置換または非置換のＣ1−Ｃ12アルキルまたはアルケニル基であってもよい。エステルは、高誘電率マロン酸であり得る。いくつかの例示的なエステルとしては、限定されるものではないが、マロン酸ジエチル、マロン酸ジエチルエチル、マロン酸メチルエチル、マロン酸エチルプロピル、マロン酸ジプロピル等、またはそれらの任意の２つ以上の混合物が挙げられる。
【００９４】
例示的実施形態では、誘電流体は、エステルおよび他の材料を含む。例えば、誘電流体は、少なくとも１つのエステルおよび１つ以上の非エステル材料、１つよりも多いエステル、少なくとも１つのエステル、１つ以上の非エステル材料、および１つ以上の添加剤等を含み得る。エステルは、追加の官能基を含んでもよい。例示的一実施形態では、誘電流体は、複数のエステルを含み得る。さらに他の実施形態では、誘電流体は、他の材料（例えば、非エステルおよび／または添加剤）を含む複数のエステルであってもよい。
【００９５】
例示的一実施形態では、プロピオン酸ペンチル（Ｃ8Ｈ16Ｏ2）等のエステルが、誘電流体として使用され得る。例えば、プロピオン酸ペンチルは、経済的であり得、かつ高純度等級（例えば、純度≧９９％）で市販されている。小さい電極ギャップ（例えば、≦０．５ｍｍ）を有するもの等のいくつかの実施形態では、プロピオン酸ペンチルは、≧１０ｋＶ／ｍｍの固有絶縁破壊電圧を有する。密度は、比較的低く、これは、静電機械の全重量を低下させる。プロピオン酸ペンチルの粘度は、比較的低く（例えば１．０４ｃＰ）、広い液体温度範囲（＞−７５℃〜１６５℃）を有する。いくつかの例では、乾燥および蒸留を介した精製は、単純かつ直接的なプロセスである。プロピオン酸ペンチルは、非毒性であり、環境に悪影響を与えない。いくつかの例では、エステル合成技術が、静電機械のトルク生成を最大にするように分子を調整するために使用され得る。
【００９６】
例示的一実施形態では、酢酸エステル（例えば、ＣＨ3ＣＯ2Ｒ、式中、Ｒは、オルガニル基である）が、誘電流体として使用され得る。酢酸エステルは、プロピオン酸ペンチルに関して上記で説明された特性の多くを有し得る（または同様の特性を有する）。いくつかの例では、酢酸エステルは、不快感を与えない甘い香りを有し、安価であり、かつ低毒性である。
【００９７】
誘電流体は、限定されるものではないが、非環状もしくは環状カーボネートもしくはカルバメート、またはフッ素化炭化水素、あるいはそれらの任意の２つ以上の混合物等の他の誘電材料との混合物をさらに含み得る。例示的なカーボネートとしては、限定されるものではないが、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジプロピル、炭酸プロピレン、酪酸メチル、γ‐ブチロラクトン、Ｎ−メチルピロリジノン、炭酸ビニレン、ジオキソラン、δ−ブチロラクトン、ジエチルエーテル、または使用されているそれらの任意の２つ以上の組み合わせが挙げられる。例示的一実施形態では、プロピオン酸ペンチルおよびヘキサン酸メチルの混合物が使用される。カルボン酸が、エステルに添加されてもよく、これは、流体の誘電率を増加させ得る。
【００９８】
環状カーボネートは、１つの酸素原子に二重結合し、他の２つの酸素原子に単結合した炭素原子からなる官能基を有する。アルキル基が、単結合した酸素原子に結合している。これらのアルキル基は、分子が環構成を形成するように一緒に連結する。誘電流体として使用できる環状カーボネートのいくつかの例は、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ビニレンを含む。いくつかの例では、環状カーボネートは、窒素で置き換えられた酸素原子を有し、−ＯＣ（Ｏ）Ｎと表され得る。いくつかの例では、メチル基が、３位の窒素原子に結合していてもよい。例えば、誘電流体は、３−メチル−２−オキサゾリジノン、３−エチル−２−オキサゾリジノン、および／または３−メチル−１，３−オキサジナン−２−オンを含むことができる。
【００９９】
いくつかの例では、カーボネートは、スルホン基を含むことができる。スルホンは、２つの異なる酸素原子に二重結合し、２つの別個のアルキル基への単結合を有する硫黄原子からなる官能基を有する。いくつかの実施形態では、スルホンは、非環状であってもよい。例えば、誘電流体は、両方のアルキル置換基がメチル基であるジメチルスルホンを含むことができる。代替的実施形態では、スルホンは、環状であってもよい。例えば、誘電流体は、アルキル基が一緒に連結されて５員環を形成するスルホランを含むことができる。いくつかの例では、誘電流体は、ジメチルスルホン、スルホランまたはジメチルスルホンおよびスルホランの混合物であってもよい。例えば、誘電流体は、窒素原子が芳香族構造の環の第１の位置にあり、少なくとも１つのニトリル（ＣＮ）基が第２の位置の置換基であり得る芳香族構造を有することができる。いくつかの実施形態では、誘電流体は、ニトリル置換ヘテロ芳香族溶媒を含んでもよい。
【０１００】
例示的なフッ素化炭化水素としては、限定されるものではないが、Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ（ＤｕＰｏｎｔ）製の特殊流体Ｖｅｒｔｒｅｌ  ＸＦ  ａｎｄ  Ｖｅｒｔｒｅｌ  Ｓｉｎｅｒａ等のものが挙げられ得、これは、化学式Ｃ5Ｈ2Ｆ10を有する非環状フッ素化炭化水素である。これらの化合物は、静電機械の誘電流体としての使用に適切であり得る物理的特性を有する。小さな電極ギャップ（例えば、０．３８ｍｍ未満）が使用されるとき等の、いくつかの実施形態では、Ｖｅｒｔｒｅｌは、１ミリメートル当たり２０キロボルト（ｋＶ／ｍｍ）を超える固有絶縁破壊電圧を有する。いくつかの実施形態では、Ｖｅｒｔｒｅｌは、市販で入手可能なものとして適切に純粋であり得る。例えば、１センチメートル当たり約１０-12シーメンス（Ｓ／ｃｍ）の伝導率のものが、市販されており、静電機械での使用に適切であり得る。そのような例では、精製のための溶媒は必要とされなくてよい。Ｖｅｒｔｒｅｌの粘度は比較的低い（０．６７ｃＰ）。Ｖｅｒｔｒｅｌは、不燃性で毒性は低い。代替的実施形態では、誘電流体は、３Ｍ製のＮｏｖｅｃ７１００等の、他のハイドロフルオロカーボンを含み得る（またはそれであってもよい）。Ｎｏｖｅｃ７１００は、化学式Ｃ4Ｆ9ＯＣＨ3を有する非環状フッ素化炭化水素である。Ｎｏｖｅｃ７１００は、Ｖｅｒｔｒｅｌと同様の特性を有する。
【０１０１】
しかしながら、Ｖｅｒｔｒｅｌ  ＸＦは、７．１の比誘電率を有し、Ｖｅｒｔｒｅｌ  Ｓｉｎｅｒａは、５の比誘電率を有し、より高い誘電率を有する流体よりも静電機械で少ないトルクが発生し得る。Ｖｅｒｔｒｅｌの沸点は５５℃であり、したがって、高い作業温度では揮発性で問題を含む。いくつかの例では、Ｖｅｒｔｒｅｌは、静電機械の誘電流体として使用することができる。代替的実施形態では、Ｖｅｒｔｒｅｌは、比較的高い誘電率を有する流体との共溶媒として使用することができる。
【０１０２】
例示的一実施形態では、コーティングが電極の１つ以上に塗布され得る。コーティングは、電極表面特性を変えるために使用され得る。例えば、コーティングは、絶縁破壊電圧および／または電極間の電界を増大させるために使用され得る。例示的一実施形態では、電極は、プラスチックまたは他の非導電性材料で作製されてもよく、電極は、金属等の導電性材料でコーティングされ得る。
【０１０３】
上記の実施形態のいずれにおいても、誘電流体は、抵抗減少剤を含み得る。抵抗減少剤は、デバイス内の乱流を低減する材料である。抵抗減少剤は、ポリマーを含み得る。例示的な抵抗減少剤としては、限定されるものではないが、ポリイソブチレン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリルアミド、多糖類、界面活性剤、固体粒子懸濁液、およびそれらの任意の２つ以上の組み合わせが挙げられる。抵抗減少剤は、１〜１０００ｐｐｍで誘電流体に組み込まれ得る。これは、１〜５００ｐｐｍ、１〜２５０ｐｐｍ、１〜１００ｐｐｍ、１〜５０ｐｐｍ、または１〜１０ｐｐｍを含む。
【０１０４】
いくつかの例では、静電機械に使用される誘電流体を生成するために１つ以上の流体を一緒に混合している。混合物は、その構成流体のいずれよりも優れた特性の組み合わせを有することができる。例えば、高誘電率流体と低粘度流体との混合物は、比較的高い誘電率および比較的低い粘度を有することができる。一般に、いくつかの高誘電率流体は、粘性および導電性も高い。いくつかの実施形態では、このような高誘電率流体は、低粘度および低伝導率を有する低誘電率流体と混合することができる。結果として得られる混合物は、静電機械内の誘電流体としてよりよく適合し得る物理的特性のバランスを有することができる。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、電極（例えば、回転子平板および固定子平板）と誘電流体との間に不動態化層を生み出すことができる。いくつかの例では、炭酸プロピレンのような高誘電率流体は、高電界で熱力学的に不安定であり得る。そのような流体は、絶縁破壊電圧を低下させ、それにより電極間にアークをもたらす可能性のあるガスを生成する可能性がある。例えば、炭酸プロピレンは、プロピレンガスを生成するために負極で還元し、炭酸ガスを生成するために正極で酸化することができる。
【０１０６】
いくつかの実施形態では、電極と流体との間の電子移動を妨げるバリアを作成することによって、ガス形成を低減および／または排除するために電極の表面上に不動態化層を形成することができる。例えば、体積で６％の亜硫酸エチレンおよび体積で０．２％の水を含む炭酸プロピレン系流体が、不動態化層を生み出すために静電機械内の誘電流体として使用することができる。亜硫酸エチレンは、炭酸プロピレン系溶液中の負極上に有効な不動態化層を形成することができる。微量の水で炭酸プロピレンをドーピングすることにより、正に帯電した電極上に有効な不動態化層を形成することができる。例えば、不動態化層を有していない機械の絶縁破壊電圧は、４．７ｋＶ／ｍｍであり得る。機械の電極上に不動態化層を追加することにより、絶縁破壊電圧は、９．９ｋＶ／ｍｍに向上され得る。代替的実施形態では、任意の適切な流体が、電極上に不動態化層を形成するための誘電流体を作り出すために使用され得る。上記の例では、亜硫酸エチレンおよび水が使用されているが、代替的実施形態では、電極上に不動態化層を形成するために炭酸プロピレンと共に任意の適切な添加物を使用することができる。例えば、重量で９９％の炭酸プロピレンと重量で１％の添加物との混合物を使用することができる。他の例では、９８．５重量％、９８重量％、９５重量％、９０重量％、８０重量％等の炭酸プロピレンを使用することができる。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、不動態化層を生み出すために第１の誘電流体（例えば、体積で６％の亜硫酸エチレンおよび体積で０．２％の水を含む炭酸プロピレン系流体）を使用でき、静電機械が動作している間、第２の誘電流体（例えば、高純度炭酸プロピレン）を使用することができる。回転子電極および固定子電極は、第１の誘電流体に浸漬することができる。第１の誘電流体は、固定子電極と回転子電極との間のギャップを充填することができる。いくつかの実施形態では、固定子電極と回転子電極との間に直流電圧を印加することができる。第１の誘電流体は、固定子電極および回転子電極の表面と反応することができ、したがって電極上に不動態化層を形成する。第１の誘電流体は電極から除去することができる。いくつかの例では、固定子電極および回転子電極を蒸留水ですすぎ、乾燥させることができる。いくつかの実施形態では、電極が静電機械の筐体の外側にある間に、不動態化層を固定子電極および回転子電極上に生成することができる。固定子電極および回転子電極は、組み立てて筐体内に配置することができる。静電機械の筐体は、第２の誘電流体で充填することができる。静電機械は、第２の誘電流体で意図したように動かすことができる。
【０１０８】
代替的実施形態では、静電機械の電極上に不動態化層を設けるために、任意の適切な方法を使用することができる。例えば、電極は、炭素（例えば、ダイヤモンド）、銀、セラミック（例えば、ＢａＴｉＯＰ3）等で被覆され得る。さらに他の実施形態では、不動態化層を使用しなくてもよい。そのような実施形態では、誘電流体の循環が、ガスの電極上の蓄積を防ぐのに十分であり得る。
【０１０９】
いくつかの要因が、静電機械の効率および出力に影響を及ぼし得る。固定子平板と回転子平板との間の力密度は、印加された電界の二乗に比例して増加する。そのような関係は、上記で論じたクーロンの法則に見ることができる。したがって、印加電界は、効率的で有用な静電機械を作成する上で重要な要素となり得る。流体の誘電率は、破壊（例えば、アーク放電）前に印加できる最大電界によって規定することができる。回転子平板と固定子平板との間のギャップサイズ、回転子平板と固定子平板の材質、回転子平板と固定子平板の表面状態、回転子平板と固定子平板の幾何学的形状、液体分子構造および誘電流体中の不純物の存在、印加電圧の性質、温度、圧力、および電界の均一性を含めて、多くの要因が流体の誘電率に影響を及ぼす可能性がある。１つ以上のそのような要因が、流体の誘電率を最大にするのに影響し得る。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、電極（例えば、回転子平板および固定子平板）の間の距離を増加させることは、誘電率の大幅な低下を生成する。炭酸プロピレンによる実験は、ギャップが０．３０ミリメートル（ｍｍ）未満に減少するまで、ギャップを減少することは絶縁破壊電圧を改善することを確認した。誘電率は、０．３０ｍｍより小さいギャップサイズに対して、ギャップとほとんど無関係であり得る。したがって、いくつかの実施形態では、機械内の固定子平板と回転子平板との間のギャップは、約０．３０ｍｍであり得る。
【０１１１】
異なる金属は、電子を供与または受容する能力で異なることがある。したがって、電極の適切な対は、印加された電界の均一性を変えることができる空間電荷効果を生成し、その結果、誘電率およびイオン伝導率に影響を及ぼす可能性がある。いくつかの実施形態では、誘電流体として炭酸プロピレンを用いて、負に帯電した平板にアルミニウムを使用することができ、正に帯電した平板にステンレス鋼を使用することができる。そのような構成は、１０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の力密度を生成することができる。正に帯電した平板の材料をアルミニウムに変えることにより、４．５ｐｓｉの力密度が生成される。したがって、いくつかの実施形態では、回転子平板の構成材料は、固定子平板の構成材料とは異なることができる。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、１つ以上の添加物を誘電流体に添加することができる。例えば、少量（例えば、体積で１０％）の２−ピリジンカルボニトリルを炭酸プロピレンに添加することができる。そのような組み合わせは、最大の力密度を生成することが実験によって発見されており、１１．８ｐｓｉが測定された。この混合物の改善された有効性は、空間電荷効果に起因し得る。改善された有効性はまた（または代替的に）、大きな断面積および共振安定性の結果であり、流体の組み合わせを効果的な電子吸収剤とする。
【０１１３】
コンパクトで製造が容易な静電機械は、そのような機械の有用性を高めることができる。いくつかの例では、静電機械のコンパクトな包装は、筐体に対して内部部品（例えば、固定子平板および回転子平板）に要求される高電圧空間距離のために困難となり得る。さらに、筐体内の高真空を維持することができるシールは、機械的に挑戦となり得る。回転子平板と固定子平板との間に必要とされる空間距離および高真空の維持のために、いくつかの例では、静電機械はかさばって大きくなりすぎる可能性がある。
【０１１４】
しかしながら、回転子平板と固定子平板との間のギャップに誘電流体を使用する静電機械は、機械の筐体内に高真空を必要としないことがある。したがって、筐体はよりコンパクトで薄く、複雑な真空シールは使用されず、真空ポンプおよび関連するホースは使用されないことがある。さらに、回転子平板と固定子平板との間のギャップに誘電体流体を用いることにより、回転子平板と固定子平板との間の空間距離を低減することができ、それによって機械のサイズを低減することができる。このように、誘電流体を使用することにより、いくつかの実施形態では、静電機械の出力密度を高めることができる。
【０１１５】
加えて、誘電流体の使用は熱伝達媒体として使用することができる。電気的および機械的損失（例えば非効率性）は熱を生み出す可能性がある。過度の熱は、静電機械の効率をさらに低下させる可能性がある。上記に論じたように、いくつかの実施形態では、静電機械は、誘電流体を静電機械の様々な部分の周りに流すことができる１つ以上の再循環路を含むことができる。したがって、誘電流体は、より高温の構成要素（例えば、固定子平板、回転子平板、シャフト、軸受け等）からより低温の構成要素（例えば、筐体）に熱を伝達することができる。さらに、１つ以上の再循環経路は、誘電流体から熱を放散するように構成された１つ以上の熱交換器を含むことができる。
【０１１６】
上述したように、静電モータシステムの様々な態様は、１つ以上のコントローラによって制御、監視、通信等が可能である。図１２は、例示的一実施形態によるコントローラのブロック図である。代替的実施形態では、追加の、より少ない、および／または異なる要素を使用することができる。コントローラ１２００は、プロセッサ１２０５、メモリー１２１０、入力および／または出力（Ｉ／Ｏ）トランシーバ１２１５、通信トランシーバ１２２０、電源１２３０、およびユーザーインターフェース１２２５を含むことができる。静電モータシステムは、フライホイールエネルギー貯蔵システムの様々な構成要素および／またはセンサを制御および／または監視するために１つ以上のコントローラ１２００を使用することができる。
【０１１７】
いくつかの実施形態では、コントローラ１２００は、プロセッサ１２０５を含むことができる。プロセッサ１２０５は、本明細書に記述される１つ以上の動作を遂行および／または遂行を引き起こすように構成することができる。プロセッサ１２０５は、当業者に知られている命令を実行することができる。命令は、１つ以上の特殊用途コンピュータ、論理回路（例えば、プログラマブル論理回路（ＰＬＣ））、および／またはハードウェア回路によって遂行されてもよい。したがって、プロセッサ１２０５は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはこれらの方法の任意の組み合わせに実装されてもよい。「実行（ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ）」という用語は、アプリケーションを走らせるプロセスまたは命令によって呼び出される動作を遂行するプロセスである。命令は、１つ以上のプログラミング言語、スクリプト言語、アセンブリ言語等を使用して書かれ得る。プロセッサ１２０５は、命令を実行し、それは、その命令によって呼び出された動作を実施することを意味する。プロセッサ１２０５は、情報を受信し、送信し、処理し、コントローラ１２００の動作を制御するために、メモリー１２１０、通信トランシーバ１２２０、Ｉ／Ｏトランシーバ１２１０、電源１２３０、ユーザーインターフェース１２２５等と動作可能に結合する。プロセッサ１２０５は、読み出し専用メモリー（ＲＯＭ）装置等の永久メモリー装置から命令セットを取り出し、一般に何らかの形式のランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）である一時記憶装置に実行可能な形式で命令をコピーすることができる。コントローラ１２００は、同一または異なる処理技術を使用する複数のプロセッサを含んでもよい。例示的一実施形態では、命令はメモリー１２１０に格納されてもよい。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、コントローラ１２００は、メモリー１２１０を含むことができる。メモリー１２１０は、当業者に知られているように、情報がプロセッサ１２０５によってアクセスできるように、情報の電子保持場所または記憶装置とすることができる。メモリー１２１０は、限定はされないが、任意のタイプのランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）、任意のタイプの読み出し専用メモリー（ＲＯＭ）、任意のタイプのフラッシュメモリー等、磁気記憶装置（例えば、ハードディスク、フロッピーディスク、磁気ストリップ等）、光ディスク（例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）等）、スマートカード、フラッシュメモリー装置等を含むことができる。コントローラ１２００は、同じまたは異なるメモリー媒体技術を使用する１つ以上のコンピュータ可読媒体を有してもよい。コントローラ１２００は、ＣＤ、ＤＶＤ、フラッシュメモリカードなどのメモリ媒体のローディングをサポートする１つまたは複数のドライブを有することができる。
【０１１９】
いくつかの実施形態では、コントローラ１２００は、通信トランシーバ１２２０を含むことができる。通信トランシーバ１２２０は、情報を受信および／または送信するように構成することができる。いくつかの実施形態では、通信トランシーバ１２２０は、イーサネット(登録商標)接続、１つ以上のツイストペア線、同軸ケーブル、光ファイバケーブル等の有線接続を介して情報を通信することができる。いくつかの実施形態では、通信トランシーバ１２２０は、マイクロ波、赤外線波、電波、スペクトル拡散技術、衛星等を使用して無線接続を介して情報を通信することができる。通信トランシーバ１２２０は、セルラーネットワーク、ローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワーク、インターネット等を使用して別の装置と通信するように構成することができる。いくつかの実施形態では、コントローラ１２００の１つ以上の要素は、有線または無線通信を介して通信する。
【０１２０】
いくつかの実施形態では、コントローラ１２００は、Ｉ／Ｏトランシーバ１２１５を含むことができる。Ｉ／Ｏトランシーバ１２１５は、１つ以上のセンサ、装置等と通信し、および／またはそれらから情報を受信するように構成することができる。Ｉ／Ｏトランシーバ１２１５は、電力コンバータのスイッチ（例えば、スイッチ９１０、スイッチ９７５等）に情報を送信するようにさらに構成することができる。Ｉ／Ｏトランシーバ１２１５は、温度センサ、圧力センサ、電力センサ、電圧センサ、電流センサ、トルクセンサ等、１つ以上のセンサから情報を受信するように構成することができる。Ｉ／Ｏトランシーバ１２１５は、離散情報、アナログ情報、デジタル情報等を送り送信するように構成することができる。Ｉ／Ｏトランシーバは、複数のカードおよび／または通信ポートを含むことができる。
【０１２１】
いくつかの実施形態では、コントローラ１２００は、電源１２３０を含むことができる。電源１２３０は、コントローラ１２００の１つ以上の要素に電力を供給するように構成することができる。いくつかの実施形態では、電源１２３０は、利用可能なライン電圧（例えば、米国では６０ヘルツで１２０ボルトの交流）のような交流電源を含むことができる。電源１２３０は、電力を、１．５Ｖ、８Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ等のようなコントローラ１２００の１つ以上の要素によって使用可能な電力に変換するために、１つ以上の変圧器、整流器等を含むことができる。電源１２３０は、１つ以上の電池を含むことができる。
【０１２２】
いくつかの実施形態では、コントローラ１２００は、ユーザーインターフェース１２２５を含むことができる。ユーザーインターフェース１２２５は、ユーザーから情報を受信し、および／またはユーザーから／ユーザーへ情報を提供するように構成することができる。ユーザーインターフェース１２２５は、当技術分野で知られている任意のユーザーインターフェースとすることができる。ユーザーインターフェース１２２５は、当業者に知られているように、コントローラ１２００への入力のためのユーザー入力および／または機械命令を受信するためのインターフェースとすることができる。ユーザーインターフェース１２２５は、限定はされないが、ユーザー等の外部ソースがコントローラ１２００に情報を入力することを可能にするキーボード、スタイラスおよび／またはタッチスクリーン、マウス、トラックボール、キーパッド、マイクロフォン、音声認識、動き認識、ディスクドライブ、リモートコントローラ、入力ポート、１つ以上のボタン、ダイヤル、ジョイスティック等を含む様々な入力技術を使用してもよい。ユーザーインターフェース１２２５は、メニューをナビゲートしたり、オプションを調整したり、設定を調整したり、ディスプレイを調整する等のために使用することができる。ユーザーインターフェース１２２５は、コントローラ１２００から外部システム、ユーザー、またはメモリーに情報を提示するためのインターフェースを提供するように構成することができる。例えば、ユーザーインターフェース１２２５は、ディスプレイ、プリンター、スピーカー、アラーム／インジケータライト、ネットワークインターフェース、ディスクドライブ、コンピュータメモリー装置等のためのインターフェースを含むことができる。ユーザーインターフェース１２２５は、カラーディスプレイ、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ等を含むことができる。
【０１２３】
例示的一実施形態では、本明細書で記述された動作のうちのいずれかは、コンピュータ可読メモリーに格納されたコンピュータ可読命令として少なくとも部分的に実装することができる。プロセッサによってコンピュータ可読命令が実行されると、コンピュータ可読命令はノードに動作を行わせることができる。
【０１２４】
本明細書に記載される主題は、異なる他の構成要素内に含まれるか、または接続される異なる構成要素を例示することがある。そのように描写されたアーキテクチャは単なる例示であり、実際には同じ機能を達成する多くの他のアーキテクチャを実装できることを理解すべきである。概念的な意味では、同じ機能を達成するための構成要素の任意の配置は、所望される機能が達成されるように効果的に「関連付けられている」。したがって、特定の機能を達成するために本明細書で組み合わせられる任意の２つの構成要素は、アーキテクチャまたは中間の構成要素に関係なく、所望される機能が達成されるように互いに「関連付けられている」と見なすことができる。同様に、そのように関連付けられた任意の２つの構成要素はまた、所望される機能を達成するために互いに「動作可能に接続」または「動作可能に結合」されていると見なすことができ、そのように関連付けられることができる任意の２つの構成要素はまた、所望される機能を達成するために互いに「動作可能に結合可能」であると見なすことができる。動作可能に結合可能な特定の例は、限定されないが、物理的に接合可能なおよび／または物理的に相互作用している構成要素、および／または無線で相互作用可能なおよび／または無線で相互作用している構成要素、および／または論理的に相互作用しているおよび／または論理的に相互作用可能な構成要素を含む。
【０１２５】
本明細書の実質的に任意の複数形および／または単数形の用語の使用に関して、当業者は、文脈および／または用途に適切であるように、複数形から単数形および／または単数形から複数形に直すことができる。明確にするために、様々な単数形／複数形の交換は本明細書に表明されるかもしれない。
【０１２６】
一般に、本明細書、特に添付の特許請求の範囲（例えば、添付の特許請求の範囲の本文）で使用される用語は、一般に「開放型」用語として意図される（例えば、「含んでいる」という用語は、「含んでいるが、これに限定されない」と解釈されるべきであり、「有する」という用語は、「少なくとも有する」と解釈されるべきであり、「含む」という用語は、「含むが、これに限定されない」と解釈されるべきである）。さらに、導入された請求項に関する詳述の特定の番号が意図されている場合は、そのような意図は請求に明示的に詳述され、そのような詳述がない場合は、そのような意図はないことを当業者は理解するであろう。例えば、理解を助けるために、以下の添付の特許請求の範囲は、請求項の詳述を導入するための導入句「少なくとも１つ」および「１つ以上」の使用を含み得る。ただし、かかる表現の使用は、同じ請求項が「１つ以上」または「少なくとも１つ」という導入句、および「ａ」または「ａｎ」等の不定冠詞を含む（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は、通常「少なくとも１つ」または「１つ以上」を意味すると解釈されるべきである）場合であっても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の詳述の導入が、かかる導入された請求項の詳述を含む任意の特定の請求項を、１つのみのかかる詳述を含む発明に限定することを意味すると解釈されるべきではなく、請求項の詳述を導入するために使用される定冠詞の使用にも同じことが当てはまる。加えて、導入された請求項の詳述の特定の数が明示的に記載されている場合であっても、当業者は、かかる詳述が、通常、少なくとも記載された数を意味すると解釈されるべきであることを認識するであろう（例えば、他の修飾語を有していない「２つの詳述」の本来の詳述は、通常、少なくとも１つの詳述、または２つ以上の詳述を意味する）。さらに、「Ａ、Ｂ、およびＣ等のうちの少なくとも１つ」に類似する通念が使用される、それらの例では、一般に、かかる構造は、当業者がその通念を理解する意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａを単独で、Ｂを単独で、Ｃを単独で、ＡおよびＢを一緒に、ＡおよびＣを一緒に、ＢおよびＣを一緒に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを一緒に有する等のシステムを含むが、これに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣ等のうちの少なくとも１つ」に類似する通念が使用される、それらの例では、一般に、かかる構造は、当業者がその通念を理解する意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａを単独で、Ｂを単独で、Ｃを単独で、ＡおよびＢを一緒に、ＡおよびＣを一緒に、ＢおよびＣを一緒に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを一緒に有する等のシステムを含むが、これに限定されない）。説明、特許請求の範囲、または図面のいずれにおいても、実質的に２つ以上の代替用語を提示する任意の離接語、および／またはという語句は、用語の１つ、用語のいずれか、または両方の用語を含む可能性を考慮することと理解されるべきであることを当業者によってさらに理解されるであろう。例えば、「ＡまたはＢ」という語句は、「Ａ」または「Ｂ」、もしくは「ＡおよびＢ」の可能性を含むと理解されるであろう。さらに、特に断らない限り、「近似（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ）」、「約（ａｂｏｕｔ）」、「およそ（ａｒｏｕｎｄ）」等の用語の使用は、プラスまたはマイナス２０パーセントを意味する。
【０１２７】
本明細書に使用される際、一般に、「置換された」は、その中に含まれる水素原子への１つ以上の結合が非水素または非炭素原子への結合によって置き換えられた、以下に定義される、アルキル、アルケニル、アルキニル、アニール、または他の有機基（例えば、アルキル基）を指す。置換基は、炭素原子（複数可）または水素原子（複数可）への１つ以上の結合が、二重または三重結合を含む１つ以上の結合によってヘテロ原子に置き換えられた基も含む。したがって、特に断らない限り、置換基は、１つ以上の置換基で置換され得る。いくつかの実施形態では、置換基は、１、２、３、４、５または６個の置換基で置換されている。置換基の例としては、ハロゲン類（すなわち、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩ）と、周期表の第１６族の元素（例えば、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ等）と、ヒドロキシル類と、アルコキシ、アルケノキシ、アルキノキシ、アリールオキシ、アラルキルオキシ、ヘテロシクリルオキシ、およびヘテロシクリルアルコキシ基類と、カルボニル類（オキソ）と、カルボキシル類と、エステル類と、ウレタン類と、オキシム類と、ヒドロキシルアミン類と、アルコキシアミン類と、アラルコキシアミン類と、チオール類と、スルフィド類と、スルホキシド類と、スルホン類と、スルホニル類と、スルホンアミド類と、アミン類と、Ｎ−オキシド類と、ヒドラジン類と、ヒドラジド類と、ヒドラゾン類と、アジ化物類と、アミド類と、尿素類と、アミジン類と、グアニジン類と、エナミン類と、イミド類と、イソシアネート類と、イソチオシアネート類と、シアネート類と、チオシアン酸塩類と、イミン類と、ニトロ基類と、ニトリル類（すなわち、ＣＮ）と、等が挙げられる。酸素（または周期表の第１６族の他の元素）が使用される実施形態では、酸素（または第１６族元素）は、電子を捕獲し、分子の負極性を増大させるソースを提供する。
【０１２８】
本明細書に使用される際、「アルキル」基は、１〜約２０個の炭素原子、通常１〜１２個の炭素原子、またはいくつかの実施形態では１〜８個の炭素原子を有する直鎖および分岐アルキル基を含む。代替的実施形態では、「アルキル」基は、最大約１００個の炭素原子等の、２０個を超える炭素原子を有する直鎖および分岐アルキル基を含む。本明細書で用いられる際、「アルキル基」は、以下に定義されるようなシクロアルキル基を含む。アルキル基は、置換または非置換であり得る。直鎖アルキル基の例としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、ｎ−ブチル、ｎ−ペンチル、ｎ−ヘキシル、ｎ−ヘプチル、およびｎ−オクチル基が挙げられる。分岐アルキル基の例としては、限定されないが、イソプロピル、ｓｅｃ−ブチル、ｔ−ブチル、ネオペンチル、およびイソペンチル基が挙げられる。代表的な置換アルキル基は、例えば、アミノ、チオ、ヒドロキシ、シアノ、アルコキシ、および／またはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩ基等のハロ基で１回以上置換され得る。本明細書に使用される際、ハロアルキルという用語は、１つ以上のハロ基を有するアルキル基である。いくつかの実施形態では、ハロアルキルは、ペルハロアルキル基を指す。
【０１２９】
本技術内の２つ以上の付着点（すなわち、二価、三価、または多価）を有する、本明細書に説明される基は、接尾辞「エン（ｅｎｅ）」の使用によって指定される。例えば、二価のアルキル基は、アルキレン基であり、二価のアルケニル基は、アルケニレン基等である。非限定的な例としては、メチレン（−ＣＨ2）−、エチレン（−ＣＨ2−ＣＨ2−）、エテニレン（−ＣＨ＝ＣＨ−）、ブチレン（−ＣＨ2−ＣＨ2−ＣＨ2−ＣＨ2−）、およびブテニレン（−ＣＨ＝ＣＨ−ＣＨ2−ＣＨ2−）が挙げられる。本技術の化合物への単一付着点を有する置換基は、「エン（ｅｎｅ）」表示を用いて言及されていない。したがって、例えば、クロロエチルは、本明細書ではクロロエチレンと呼ばれない。
【０１３０】
例示的実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提示されている。開示された正確な形態に関して網羅的または限定的であることを意図するものではなく、上述の教示に照らして修正および変形が可能であり、または開示された実施形態の実践から習得できるかもしれない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって定義されることを意図するものである。
【図１Ａ−１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ−２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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